MBE不同氧前驱体对外延β-Ga₂O₃薄膜的影响

领域背景：

β-Ga2O3作为超宽带隙（UWBG）半导体材料中极具代表性的材料，具有大面积单晶片的可用性、对可见光的高透明度以及出色的稳定性，是制备日盲探测器的天然本征吸收材料。然而，β-Ga2O3分子束外延生长机制仍不明确，特别是氧前驱体对β-Ga2O3生长机制的影响尚未披露，这对氧化物外延层的薄膜质量和光电器件的性能很重要。为了揭示氧前驱体对β-Ga2O3生长机制的影响，研究者使用臭氧和氧等离子体前驱体对生长的外延层的性质进行了表征，并从器件的光电特性对比两种氧前驱体在制备β-Ga2O3的差异。

研究意义：

本研究利用臭氧和氧等离子体作为前驱体研究了生长的β-Ga2O3外延层的晶体结构、元素组成和表面形貌，探讨了其生长机理，此外，通过生长特性和光电特性表征，对这两种器件的光响应机制进行了全面的分析。

研究结果表明，分子束外延技术是制备高质量的β-Ga2O3外延层和高性能太阳能盲紫外光电探测器的一个很有前途的候选技术。本研究旨在通过分子束外延（MBE）技术，研究臭氧和氧等离子体作为前驱体在β-Ga2O3薄膜外延生长中的生长机理，并对比了两种氧前驱体制备的光电探测器的光电特性的差异。

研究目的：

本研究旨在通过分子束外延（MBE）技术，研究臭氧和氧等离子体作为前驱体在β-Ga2O3薄膜外延生长中的生长机理，并对比了两种氧前驱体制备的光电探测器的光电特性的差异。

材料与方法

材料与器件：本研究中研究对象为分子束外延设备制备的的β-Ga2O3薄膜及其制备的光电器件，对比臭氧以及氧等离子体两种氧前驱体在外延制备β-Ga2O3生长机理的差异。实验设计：实验使用Fermi 分子束外延设备，配备有射频（RF）等离子体源炉和液化高纯度臭氧系统分别提供氧等离子体和臭氧作为氧的前驱体。通过椭圆偏振仪、原子力显微镜、扫描电子显微镜、X射线衍射仪、X射线光电子能谱和紫外可见分光光度计进行薄膜特性的表征，通过半导体表征系统对制备的光电探测器进行测试。

结果与分析：

通过XRD、AFM、SEM等技术的测试结果表明臭氧和氧等离子体源都可用于β-Ga2O3的外延生长。结果解读：在600-850℃的衬底温度下都可以获得单晶β-Ga2O3，其中臭氧作为前驱体在衬底温度为750℃时生长速率达到峰值（1.6 nm/min），氧plasma源作为前驱体在衬底温度为650℃时达到峰值（1.3nm/min）。臭氧制备的β-Ga2O3薄膜表面存在小的间隙，并随着生长温度的升高而逐渐减少，表面活性原子在高衬底温度下获得了更多的迁移的能量。氧等离子体源则不存在这种问题。

从AFM的结果可以看出衬底温度对臭氧分子束外延得到的薄膜的平整度影响较大，随着温度的升高，β-Ga2O3的RMS逐渐增加，而PAMBE在随衬底温度的变化波动较小，但是温度超过950℃时，由于氧化亚镓的脱附加剧，薄膜表面RMS急剧恶化。

由XPS的结果可以看出，在650℃下氧等离子体与臭氧生长的外延层相比具有更低的氧空位，可能是因为带电的氧等离子体为O原子的迁移提供了能量，此外成核过程中的S-K生长模式也有助于减少氧空位的形成，但是随着衬底温度的增加，氧等离子体制备的β-Ga2O3薄膜的氧空位也逐渐增加。

基于测试的结果，提出了两种氧前驱体在蓝宝石衬底上外延制备β-Ga2O3薄膜的生长模型。臭氧前驱体外延生长β-Ga2O3吸附原子在衬底表面的迁移能量主要由衬底温度提供，因此在初始成核阶段是三维生长模式，氧空位和表面形貌受到衬底温度的变化影响显著。使用等离子体源制备的β-Ga2O3薄膜的生长模式主要是S-K生长模式。此外，不同的氧前驱体对能带结构也有影响，臭氧生长的β-Ga2O3薄膜具有较高的透明度。

从制备的β-Ga2O3 MSM结构的光电探测器的性能结果可以看出，在同样的偏置电压下，臭氧生长的光电探测器的暗电流比Plasma制备的器件低近两个量级。在254 nm的光照下，两种器件都有较高的光电流。

比较与对比：臭氧和氧等离子体作为前驱体在蓝宝石衬底上都获得了高质量的β-Ga2O3薄膜，两种前驱体在前期的成核方式不同，并且臭氧薄膜中的氧空位随着温度的增加而降低，氧等离子体源制备的外延薄膜中的氧空位基本不受衬底温度的影响。低氧空位浓度也实现了高性能的β-Ga2O3日盲紫外光电探测器。

讨论

创新点与贡献：本研究对比了臭氧和氧等离子体源外延的生长β-Ga2O3薄膜在生长机理以及器件性能方面的差异，表明分子束外延在实现高性能的β-Ga2O3方面具有巨大的潜力。局限性：氧化镓薄膜生长速率依旧较慢并且氧空位的浓度影响β-Ga2O3薄膜的P型掺杂。未来方向：未来的研究将主要集中在如何提升分子束外延制备β-Ga2O3薄膜的生长速率，为实用化奠定更好的基础。

结论

核心发现：臭氧和氧等离子体都能够实现高质量的β-Ga2O3薄膜外延，通过臭氧制备的低氧空位浓度的β-Ga2O3基日盲紫外光电探测器具有更高的光电探测性能。实际应用潜力：不同的前驱体材料体现了外延的不同生长机理，根据不同的应用场景采用不同的前驱体材料可以大大提升材料的适用性。