α-Ga₂O₃薄膜的外延生长与日盲光电特性研究学术报告

一、作者与发表信息
本研究由北京邮电大学光电子材料与器件实验室的D.Y. Guo（通讯作者）、X.L. Zhao等团队联合浙江理工大学物理系合作完成，成果发表于2016年《Materials Letters》第164卷（DOI: 10.1016/j.matlet.2015.11.001）。2019年因有效辐照面积计算错误发布更正（DOI: 10.1016/j.matlet.2019.03.008）。

二、学术背景
研究领域：宽禁带半导体材料与紫外光电探测器。
科学问题：Ga₂O₃存在五种晶相，其中β-Ga₂O₃研究较多，而亚稳态的α-Ga₂O₃（刚玉结构）因其与α-M₂O₃型材料（如α-Al₂O₃、α-Fe₂O₃等）的合金化潜力备受关注。α-Ga₂O₃的禁带宽度（5.15 eV）大于β相（4.9 eV），更适用于日盲紫外探测（Solar-blind UV，波长<280 nm）。然而，α-Ga₂O₃单晶薄膜生长难度高，此前报道的样品常混有β相或存在晶格缺陷。
研究目标：通过激光分子束外延（LMBE）技术在m面α-Al₂O₃衬底上生长高质量α-Ga₂O₃薄膜，并验证其日盲光电特性。

三、研究方法与流程
1. 薄膜生长
- 衬底与设备：采用m面（300）α-Al₂O₃衬底，LMBE系统基础真空度10⁻⁶ Pa，KrF准分子激光（波长248 nm）烧蚀Ga₂O₃靶材。
- 参数优化：系统研究衬底温度（700–850°C）、氧压（10⁻³–10⁻¹ Pa）、激光能量（100–400 mJ）、频率（1–4 Hz）对薄膜结构的影响。固定激光脉冲数3000次，薄膜厚度约100 nm（SEM测定）。

1. 结构表征

   • X射线衍射（XRD）：确认晶相与取向。结果显示：
     
     • 750°C时出现α与β混合相；
       
     • 800°C以上仅检测到α-Ga₂O₃（300）峰，且强度随温度升高而增加；
       
     • 氧压>10⁻¹ Pa或激光能量200 mJ、频率3 Hz时结晶质量最佳。
       

2. 光学性能测试

   • 紫外-可见吸收光谱：通过Tauc公式计算禁带宽度（(αhν)²-hν曲线拟合），α-Ga₂O₃薄膜的Eg=5.15 eV，吸收边240 nm，显著区别于β相（Eg=4.9 eV）。
     

3. 器件制备与测试

   • MSM结构探测器：在α-Ga₂O₃薄膜上沉积Ti/Au叉指电极（指宽200 μm，间距200 μm，有效辐照面积0.043 cm²）。
     
   • 光电响应：使用254 nm（日盲区）和365 nm（非日盲区）光源，Keithley 2450测试I-V曲线与时间响应。
     

四、主要结果
1. 外延生长成功：在800°C、氧压10⁻¹ Pa、激光能量200 mJ、频率3 Hz条件下获得单一α相（300）取向薄膜，无β相杂质。
2. 日盲特性验证：
- 254 nm光照下光电流显著增加（如130 μW/cm²时达40.58 nA），而365 nm光照响应微弱（仅4.10 nA）；
- 光电流与入射功率、偏压呈线性关系（20 V偏压下光电流达88.37 nA）。
3. 器件性能：
- 灵敏度最高68.5（5 V偏压），响应度（Rλ）和量子效率（EQE）分别达15.1 mA/W和7.39%（20 V偏压）；
- 响应时间随偏压升高缩短，20 V时表现出快速开关特性。

五、结论与价值
1. 科学意义：首次通过LMBE在m面α-Al₂O₃上实现高质量α-Ga₂O₃外延生长，揭示了生长参数与晶相的关联性。
2. 应用前景：α-Ga₂O₃薄膜的宽禁带特性使其成为日盲紫外探测器的理想候选材料，尤其在高温/高压环境下优于β相。
3. 技术突破：提出的LMBE参数优化方案为α-M₂O₃合金体系的外延生长提供了参考。

六、研究亮点
1. 创新方法：通过多参数协同调控解决α-Ga₂O₃亚稳态生长难题。
2. 性能优势：α-Ga₂O₃的禁带宽度（5.15 eV）较β相更匹配日盲探测需求。
3. 可扩展性：该生长策略可推广至其他刚玉结构氧化物（如α-Fe₂O₃/α-Ga₂O₃异质结）。

七、其他
更正说明：原论文中探测器有效辐照面积误写为0.43 cm²，实际应为0.043 cm²（2019年勘误）。此错误不影响核心结论，但修正后器件性能参数计算更准确。