《Applied Surface Science》：Ultrahigh performance of ε-Ga
2O
3 deep-ultraviolet photodetectors grown on sapphire substrates via SiO
2 and Al
2O
3 capping layers
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研究通过调节氧气流量在MOCVD工艺中制备ε-Ga?O?薄膜，发现800 sccm条件下晶体质量最优，结合SiO?和Al?O?钝化层后，深紫外光电探测器响应度达20.3 A/W，暗电流仅4.86×10?1? A，光电流比1.44×10?，表面缺陷态有效抑制。
阿努普·库马尔·辛格（Anoop Kumar Singh）|李文豪（Wen-Hao Li）|吴同翰（Tung-Han Wu）|詹志宏（Chih-Hung Chien）|张采云（Tsai-Yun Chang）|蒋伟翔（Wei-Hsiang Chiang）|周欣宇（Hsin-Yu Chou）|孔伯凯（Po-Kai Kung）|刘伯良（Po-Liang Liu）|洪瑞华（Ray-Hua Horng）|吴东星（Dong-Sing Wuu）
国立中山大学应用材料与光电工程系，台湾南投54561
摘要
氧化镓（ε-Ga?O?）的亚稳态ε相由于其宽禁带（约4.9 eV）、正交晶体结构以及固有的自发极化特性，最近成为一种有前景的宽禁带半导体。在本研究中，通过金属有机化学气相沉积（MOCVD）技术在蓝宝石基底上制备了ε-Ga?O?薄膜，并调整了氧气流量（160至1760 sccm）以优化生长条件。X射线光电子能谱（XPS）分析证实形成了氧化良好的Ga-O网络，当氧气流量为800 sccm时，薄膜的晶体质量和光电性能达到最佳。利用这种优化的ε-Ga?O?薄膜制备了金属-半导体-金属（MSM）深紫外（DUV）光电探测器，并随后沉积了SiO?和Al?O?钝化层以消除表面缺陷。Al?O?钝化层有效抑制了与缺陷相关的表面态，从而减少了表面复合并最小化了漏电流路径。因此，该ε-Ga?O?光电探测器实现了20.3 A/W的高响应度、1.44 × 10?的光电流/暗电流比、4.86 × 10?1?的极低暗电流以及4.6 s/3.2 s的上升/下降时间（在5 V偏压和240 nm入射光条件下）。这些结果表明，Al?O?表面钝化是一种有效策略，可用于减轻表面缺陷，从而提高基于ε-Ga?O?的DUV光电探测器的性能。
引言
近年来，对超宽禁带半导体的探索迅速发展，这得益于对能够在高电场下工作、在极端条件下运行的材料以及高效光电和功率器件日益增长的需求[1][2]。氧化镓（Ga?O?）因其巨大的禁带宽度（>8 MV/cm）和成本效益高的可扩展性而成为领先材料[3][4][5]。在其五种已知多形体（α、β、γ、δ和ε）中，ε相（ε-Ga?O?）由于其亚稳态特性、约4.9 eV的宽直接带隙、独特的晶体结构和电子特性而成为一个有吸引力的但研究相对不足的平台[6][7][8]。ε相的晶体不对称性产生的固有极化场与III族氮化物系统相当，为极化工程电子和光电子器件提供了有前景的框架[9]。此外，ε-Ga?O?强的光吸收边缘和深紫外（DUV）透明度使其特别适用于280 nm以下的太阳盲光电探测器[10][11]。尽管具有这些优点，但由于合成挑战以及在环境条件下稳定该相的难度，ε-Ga?O?光电探测器的研究仍处于初级阶段[12][13]。
近年来，通过外延方法（如MOCVD[14]、脉冲激光沉积[15]和卤化物气相外延[16]）在蓝宝石或GaN等基底上成功合成了高纯度的ε-Ga?O?薄膜，利用了晶格匹配和外延稳定性。在常用基底上外延生长ε-Ga?O?的过程中，几个关键因素会影响相的控制，包括沉积温度、生长速率、氧气流量和前驱体的选择。氧气流量是MOCVD生长中的关键参数，因为它直接影响氧化动力学、相的形成以及所得Ga?O?薄膜的晶体质量。通过调节氧气供应，可以改善ε-Ga?O?的相纯度、表面形态和光电性能，这些对于高性能深紫外光电探测器应用至关重要。因此，理解和控制生长参数至关重要，因为这些因素共同决定了标准基底上Ga?O?的外延生长过程。已有研究表明，基于ε-Ga?O?的光电探测器具有令人满意的性能指标。例如，钱等人制备了基于ε-Ga?O?的光电探测器，在254 nm光照下、10 V偏压下实现了约8 A/W的响应度[17]；蔡等人则在20 V偏压下、258 nm波长下制备的ε-Ga?O?光电探测器达到了3.74 A/W的峰值响应度[18]。虽然这些研究展示了ε-Ga?O?在深紫外探测方面的潜力，但它们的方法依赖于特定的改进措施——钱等人使用了Al?O?缓冲层，而蔡等人则采用了Sn掺杂。此外，张等人还展示了在蓝宝石基底上PLD生长的ε-Ga?O?表面使用超薄Al?O?层进行钝化的效果，Al?O?覆盖层有效降低了表面陷阱密度并提高了光电探测器的性能。然而，他们的光电探测器需要20 V的偏压，这相对较高[19]。尽管取得了这些进展，但在低工作电压条件下实现高响应度仍然是一个重大挑战。
在本研究中，我们通过改变氧气流量（160至1760 sccm）系统地生长了ε-Ga?O?薄膜。通过X射线衍射、扫描电子显微镜、原子力显微镜和X射线光电子能谱分析了氧气流量的影响，确定了800 sccm为最佳生长参数。为了进一步提高光电探测器的性能，在优化后的800 sccm ε-Ga?O?薄膜上沉积了SiO?和Al?O?钝化层，以钝化表面缺陷态。钝化层有效抑制了表面复合并减少了漏电流路径，从而提高了光电流、降低了暗电流，并改善了光电流与暗电流的比率。
实验部分
实验
采用金属有机化学气相沉积（MOCVD）技术在（0001）蓝宝石基底上沉积了ε-Ga?O?薄膜。使用三甲基镓（TEGa）作为镓前驱体，保持恒定流量为160 sccm，高纯度氩气（Ar）作为载气，流量为1500 sccm。在受控的低压条件下进行沉积，以促进亚稳态正交ε相的稳定。使用了不同的氧气流量：160 sccm等。
结果与讨论
图1(a)展示了在不同氧气流量（160、480、800、1120、1440和1760 sccm）下沉积在蓝宝石基底上的ε-Ga?O?薄膜的X射线衍射（XRD）图案。这些XRD图案来源于JCPDS 06–0509数据库中的ε-Ga?O?数据。在160 sccm下生长的薄膜呈现非晶态，而其他薄膜则显示出对应于ε相（002）、（004）和（006）面的特征衍射峰，分别为19.1°、38.9°和59.9°。
结论
本研究展示了通过MOCVD技术在蓝宝石基底上成功生长和优化了ε-Ga?O?薄膜，其中氧气流量是实现优异晶体质量和光电性能的关键参数。800 sccm的氧气流量产生了最有利的薄膜特性，使得高性能MSM DUV光电探测器的制备成为可能。所制备的ε-Ga?O?光电探测器在240 nm光照下实现了最高的光电流。
CRediT作者贡献声明
阿努普·库马尔·辛格（Anoop Kumar Singh）：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，验证，方法学，研究，正式分析，数据管理。
李文豪（Wen-Hao Li）：数据管理，研究，方法学。
吴同翰（Tung-Han Wu）：方法学，研究，数据管理。
詹志宏（Chih-Hung Chien）：数据管理，研究，方法学。
张采云（Tsai-Yun Chang）：数据管理，研究，方法学。
蒋伟翔（Wei-Hsiang Chiang）：数据管理，研究，方法学。
周欣宇（Hsin-Yu Chou）：方法学，研究，数据管理。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本工作得到了台湾国家科学技术委员会（National Science and Technology Council）的资助，资助编号为：110-2221-E-005-023-MY3、112-2221-E-005-101-MY3、112-2811-E-005-013-MY3、114-2221-E-260-007-MY3和113-2811-E-260-002-MY3。
