一種用于調控Ga2O3薄膜的表面電子結構的的熱重組工程

氧化鎵（Ga2O3）因其超寬的帶隙和高臨界擊穿電場，可滿足當前器件大功率和微型化的發展需求，已成為新一代電力電子和光電器件的熱門材料。目前日盲紫外光電探測是Ga2O3的一個重要應用，而提高其光電探測性能是Ga2O3研究的熱門話題之一。由于表面是器件中載流子傳輸和信號捕捉的主要部分，對表面的調控會在很大程度上改變器件的性能。然而，表面作為一個非常薄的有源層，難以實現對其有源通道特性的穩定控制。目前，人們已經探索并使用了許多表面調控方法來提高光電探測器的性能，其中引入局部表面等離激元和局部表面肖特基結是最常見的方法之一，但這種方法成本相對較高，操作也比較復雜。

南京郵電大學唐為華教授研究團隊提出了一種用于調控Ga2O3薄膜的表面電子結構的簡單而廉價的熱重組工程，從而進一步實現對其光電性能的調控。研究成果以“Tunable Ga2O3 solar-blind photosensing performance via thermal reorder engineering and energy-band modulation”為題，發表在IOP Publishing 《Nanotechnology》期刊上。

課題組采用低成本、生長速度較快的等離子體增強化學氣相沉積法（PECVD）生長了四組Ga2O3薄膜，將其中的三組薄膜分別在真空、氧氣和氧等離子體中使用1000 ℃的高溫退火1小時。通過對四組Ga2O3薄膜帶隙的擬合和X射線光電子能譜（XPS）分析（如圖1所示），發現熱重組使得Ga2O3薄膜表面的能帶結構（包括禁帶寬度和價帶位置）發生了不同程度的改變。圖2為對四組薄膜O 1s的分峰擬合結果，其中OI表示晶格氧，OII表示薄膜中的氧空位，從中可以看出，富氧的退火環境可以降低薄膜中的氧空位濃度，而缺氧的退火環境則增加了薄膜中的氧空位。此外，通過第一性原理計算得出，Ga2O3薄膜的帶隙隨著氧空位濃度的增加而增大，這與實驗測量數據非常吻合，計算結果與實驗得出的四組Ga2O3薄膜的能帶結構如圖3所示。

圖1. 未處理和退火后Ga2O3薄膜的 (a) 紫外可見吸收光譜和 (b) 價帶最大值。

圖 2. (a) 未處理和在 (b) 真空中退火 (c) 氧氣中退火和 (d) 氧等離子體中退火后的Ga2O3薄膜XPS光譜中O 1 s峰的曲線擬合。

圖 3. (a) 單胞，(b) 1×2×1超晶胞和 (c) 1×3×1超晶胞模型的能帶結構。(d) 由在不同氣體環境中退火的Ga2O3薄膜制備的光電探測器的能帶排列。

此外，基于這四種Ga2O3薄膜制備了金屬-半導體-金屬（MSM）型光電探測器，電極采用金屬銦，觀察到經過熱處理后，光電探測器的暗電流可以從154.63 pA 下降到269 fA，光暗電流比（PCDR）提高了100倍，探測度（D*）提高了10倍，具體結果如圖4所示。高溫處理導致了晶體重組，從而在很大程度上提高了薄膜的結晶質量，進而改善了光電探測器的性能。此外，氧空位為金屬氧化物晶體中一種主要的缺陷，如圖5所示，在光電探測器工作時氧空位會捕獲光生載流子，從而增強器件的自陷效應，導致光電探測能力的降低。經過富氧氛圍的熱退火之后，薄膜表面氧空位濃度的抑制也在一定程度上提高了薄膜的光敏性能。

圖 4. 基于在不同氣體環境中退火的Ga2O3薄膜制備的光電探測器在黑暗中以及光強為220 μW/cm2的254 nm光照下的 (a) 半對數I-V曲線，(b) 光暗電流比以及 (c) 外量子效率和檢測率。

圖 5. 光電探測器的工作機制示意圖。

在這項工作中，通過一種低成本、易操作的熱退火方法，實現了對PECVD法生長的Ga2O3薄膜的表面調控，并基于能帶調控理論，探索了這種熱重組工程對基于Ga2O3的MSM型電光探測器性能的具體影響，提出了可實現的表面改性方法，涉及寬帶隙半導體Ga2O3的表面物理與光電物理的融合。工作發表于Nanotechnology，第一作者為博士生奚昭穎，通訊作者為唐為華教授和劉增副教授。

審核編輯：湯梓紅