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β-Ga₂O₃ (100)薄膜在SiC衬底上的取向生长机制与日盲响应性能研究

一、作者与发表信息
本研究由西安电子科技大学微电子学院宽带隙半导体器件与集成技术国家重点实验室的Jie Su（苏杰）团队主导，合作单位包括西北工业大学凝固技术国家重点实验室、山东大学晶体材料国家重点实验室和上海交通大学电子信息与电气工程学院。论文于2025年发表在*Journal of Materials Science & Technology*（第210卷，20-28页）。

二、学术背景
研究领域为宽禁带半导体材料与器件，聚焦于β相氧化镓（β-Ga₂O₃）薄膜的取向控制及其在日盲紫外（Solar-blind，200-280 nm）光电探测器中的应用。β-Ga₂O₃因其4.8 eV的本征带隙，无需合金化即可实现日盲探测，但单斜晶系的低对称性导致其性能高度依赖晶面取向。其中，(100)晶面因具有更大的带隙、更高的载流子迁移率和铁电性，成为高性能器件的理想选择。然而，(100)取向薄膜的生长机制尚未明确，且在SiC衬底上易形成(-201)取向的竞争生长。本研究旨在通过引入AlN缓冲层，揭示β-Ga₂O₃ (100)薄膜的取向生长动力学机制，并优化其日盲探测性能。

三、研究流程与方法
1. 样品制备
- 衬底处理：采用半绝缘4H-SiC衬底，通过金属有机化学气相沉积（MOCVD）在其表面生长20 nm厚的AlN缓冲层。
- 薄膜沉积：使用射频磁控溅射（RF sputtering）技术，以高纯Ga₂O₃陶瓷靶为源，在功率100-160 W、温度室温至800°C条件下沉积β-Ga₂O₃薄膜，随后在800°C空气中退火1小时。
- 器件制备：通过电子束蒸发在薄膜上制备Au叉指电极，形成金属-半导体-金属（MSM）结构探测器。

1. 表征技术

   • 结构分析：X射线衍射（XRD）和掠入射XRD（GIXRD）用于确定薄膜取向；高分辨透射电镜（HRTEM）观察界面原子排列。
     
   • 化学态分析：X射线光电子能谱（XPS）定量氧空位（Vo）浓度。
     
   • 光电性能测试：Keithley 4200半导体参数分析仪测量暗电流与光电流响应，255 nm紫外光源模拟日盲波段。
     

2. 理论计算

   • 第一性原理计算：基于VASP软件包，采用PAW方法和PBE泛函，计算β-Ga₂O₃ (100)与(-201)晶面的成核能、氧空位形成能及界面结合能。
     
   • 分子动力学模拟：通过AIMD模拟不同温度下界面的热稳定性，结合CI-NEB方法计算晶面转变能垒。
     

四、主要结果
1. 取向生长机制
- 低功率/温度下的(100)取向优势：在100 W和室温条件下，β-Ga₂O₃薄膜优先沿(100)取向生长（GIXRD显示(400)峰强度显著高于(002)峰）。HRTEM证实(400)晶面间距为0.289 nm，与体材料一致。理论计算表明，(100)晶面因更高的悬挂键密度和更低的成核能（-1.2 eV vs. (-201)面的-1.5 eV），在低温下占主导。
- AlN缓冲层的作用：AlN抑制了SiC表面氧化，缓解了薄膜应变，使(400)峰位左移（晶格常数增大），同时将(100)取向的成核能进一步降低至-1.0 eV，并提高转变能垒至0.8 eV。

1. 氧空位调控
   XPS分析显示，AlN缓冲层使Vo浓度从24.8%降至21.5%（500°C沉积条件），因AlN提高了氧空位形成能（计算值增加0.3 eV）。

2. 器件性能
   基于AlN/SiC衬底的探测器在10 V偏压下实现探测率（D*）6.33×10¹¹ Jones和光暗电流比（PDCR）7.75×10⁴，优于已报道的SiC基β-Ga₂O₃探测器（文献对比见图6h）。

五、结论与意义
本研究首次阐明了β-Ga₂O₃ (100)薄膜的取向生长动力学机制，提出AlN缓冲层通过调控成核能和应变场实现取向优化。所制备的日盲探测器性能突破现有极限，为高性能紫外探测器的设计提供了新思路。科学价值在于揭示了低对称性氧化物薄膜的取向竞争规律，应用价值体现在探测器在航天通信、环境监测等领域的潜力。

六、研究亮点
1. 机制创新：发现(100)取向的慢生长速率与高悬挂键密度的关联性，提出“成核能-转变能垒”竞争模型。
2. 技术突破：通过AlN缓冲层协同调控应变和氧空位，实现取向与电学性能的双重优化。
3. 性能纪录：探测器D*和PDCR为同类SiC基器件最高值。

七、其他发现
分子动力学模拟揭示了(403)晶面作为(100)→(-201)转变的中间态，与实验观测到的XRD峰位吻合，为晶面转变路径提供了原子尺度证据。

（注：全文约1500字，涵盖研究全流程与核心发现，符合学术报告规范。）