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研究介绍

这篇研究由Shujie Jiao、Hongliang Lu、Xianghu Wang、Yiyin Nie、Dongbo Wang、Shiyong Gao和Jinzhong Wang共同完成。他们分别来自哈尔滨工业大学材料科学与工程学院和桂林电子科技大学认知无线电与信息处理教育部重点实验室。研究论文《The Structural and Photoelectrical Properties of Gallium Oxide Thin Film Grown by Radio Frequency Magnetron Sputtering》于2019年3月5日发表在《ECS Journal of Solid State Science and Technology》上。

学术背景

研究主题围绕氧化镓（Ga₂O₃）薄膜的结构和光电特性展开。氧化镓作为一种宽带隙半导体材料，因其在太阳能盲区光电探测器（solar-blind photodetector）和功率器件中的潜在应用而备受关注。氧化镓的直接带隙约为5.0 eV，是仅次于金刚石的第二大宽带隙材料。通过掺杂铝（Al）或铟（In），可以调节其带隙，使其在短波长光电子器件中具有重要应用前景。现有文献已经探讨了通过溶胶-凝胶法、等离子辅助分子束外延（MBE）等多种方法制备氧化镓薄膜，但这些方法在工业应用中存在成本高或难以获得高质量晶体的问题。因此，本研究采用射频磁控溅射（RF magnetron sputtering）技术制备氧化镓薄膜，并探讨其结构和光电特性，以期为高性能光电探测器提供新的材料基础。

详细工作流程

研究主要分为薄膜制备、结构表征、光学性质测试和光电性能测试四个步骤。

1. 薄膜制备
   氧化镓薄膜通过射频磁控溅射技术在c面蓝宝石（α-Al₂O₃ (0001)）基板上制备。使用纯度为99.99%的陶瓷氧化镓靶材，基板依次在丙酮、乙醇和去离子水中各清洗20分钟。溅射过程中，基板固定在室温下，距离靶材10厘米。溅射室基础压力为8×10⁻⁴ Pa，通入氧气（O₂）和氩气（Ar）混合气体，流量分别为2 sccm和40 sccm。工作压力为1 Pa，溅射功率为180 W，溅射时间为120分钟。溅射后的样品分别在500°C、600°C、700°C、800°C和900°C的空气中退火，升温速率为10°C/min，并在目标温度下保持120分钟。

2. 结构表征
   使用X射线衍射仪（XRD）分析薄膜的晶体结构。结果表明，沉积后的薄膜主要为非晶态，而退火后的薄膜为多晶态，具有单斜结构（monoclinic structure）。XRD图谱显示，随着退火温度升高，薄膜的结晶质量逐渐提高，尤其是在900°C退火的样品中，观察到了β-Ga₂O₃的（4‾02）、（400）和（2‾02）等衍射峰。

3. 光学性质测试
   使用紫外-可见分光光度计测试薄膜的透射率谱。所有样品在可见光范围内的透射率均高于90%。通过Tauc图计算了薄膜的光学带隙，发现非晶态薄膜的带隙为4.02 eV，低于文献中报道的β-Ga₂O₃薄膜的带隙值。随着退火温度升高，带隙逐渐减小，这与晶粒尺寸增大导致的量子限制效应减弱有关。

4. 光电性能测试
   制备了基于非晶态和多晶态氧化镓薄膜的金属-半导体-金属（MSM）型光电探测器，并测试了其光电响应。结果表明，非晶态薄膜在256 nm波长下的响应度（responsivity）为122.7 μA/W，紫外-可见光抑制比（UV-to-visible rejection ratio）为100。相比之下，退火后的多晶态薄膜对深紫外光（deep ultraviolet light）没有明显的光响应。

主要结果

1. 结构表征结果
   非晶态薄膜在退火后转变为多晶态，结晶质量随退火温度升高而提高。900°C退火的样品中观察到了β-Ga₂O₃的多个衍射峰，表明其具有较高的结晶质量。

2. 光学性质结果
   非晶态薄膜的光学带隙为4.02 eV，退火后的多晶态薄膜带隙随温度升高逐渐降低，这与晶粒尺寸增大有关。

3. 光电性能结果
   非晶态薄膜在256 nm波长下表现出较高的光电响应，响应度为122.7 μA/W，而多晶态薄膜对深紫外光没有明显的光响应。X射线光电子能谱（XPS）和光致发光（PL）测试表明，非晶态薄膜中较高的氧空位浓度是其光电响应较强的主要原因。

结论

研究表明，通过射频磁控溅射技术制备的非晶态氧化镓薄膜在深紫外光电探测器中具有潜在应用价值。其高氧空位浓度导致形成了欧姆接触，从而增强了光电响应。相比之下，退火后的多晶态薄膜虽然结晶质量更高，但由于氧空位浓度较低，光电响应较弱。

研究亮点

1. 首次系统研究了射频磁控溅射制备的非晶态和多晶态氧化镓薄膜的结构、光学和光电特性。
2. 发现非晶态薄膜在深紫外光电探测器中具有优异的性能，响应度高达122.7 μA/W。
3. 揭示了氧空位浓度对薄膜光电响应的重要影响，为非晶态氧化镓薄膜在光电器件中的应用提供了理论依据。

研究价值

该研究为高性能深紫外光电探测器的开发提供了新的材料选择，并揭示了氧空位在光电响应中的关键作用，对宽带隙半导体材料的研究和应用具有重要意义。

这篇报告涵盖了研究的背景、方法、结果、结论及其科学和应用价值，为其他研究人员提供了全面的参考。