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研究作者与机构
本研究的作者包括Sufen Wei、Qianqian Shi、Yi Liu和Cheng-Fu Yang。他们分别来自中国集美大学海洋信息工程学院（School of Ocean Information Engineering, Jimei University）、台湾高雄国立大学化学与材料工程系（Department of Chemical and Materials Engineering, National University of Kaohsiung）以及台湾朝阳科技大学航空工程系（Department of Aeronautical Engineering, Chaoyang University of Technology）。研究于2024年5月发表在期刊《Sensors and Materials》第36卷第5期上。

学术背景
本研究聚焦于氮掺杂氧化镓（Ga₂O₃）薄膜的制备及其在光电探测器（Photodetector, PD）中的应用。Ga₂O₃因其超宽带隙（约4.9 eV）和透明半导体特性，在下一代功率电子器件、光电探测器、LED、光催化剂、气体传感器、太阳能电池和荧光粉等领域具有重要应用前景。然而，Ga₂O₃的p型导电性难以实现，限制了其在双极器件中的应用。氮（N）作为一种潜在的p型掺杂元素，因其原子半径与氧（O）接近且价电子较少，被认为可以引入浅受主能级，从而实现p型导电性。本研究旨在通过射频磁控溅射（RF Magnetron Sputtering）技术制备氮掺杂Ga₂O₃薄膜，并探索其在近紫外光电探测器中的应用。

研究流程
研究分为以下几个步骤：
1. 薄膜制备
- 使用高纯度（4N）Ga₂O₃陶瓷靶材和双面抛光（0001）蓝宝石衬底。
- 首先在500℃下通过射频磁控溅射在蓝宝石衬底上生长本征Ga₂O₃薄膜，工作气体为氩气（Ar）和氧气（O₂），背景真空低于4.0×10⁻⁴ Pa，工作压力为0.8 Pa，溅射功率为200 W，时间为10分钟。
- 随后以本征Ga₂O₃薄膜为衬底，保持相同工艺参数，引入不同流速（0、5、10、15、20和25 sccm）的氮气（N₂）进行反应溅射，制备氮掺杂Ga₂O₃薄膜。

1. 薄膜表征

   • 使用场发射扫描电子显微镜（FESEM）和原子力显微镜（AFM）分析薄膜的表面形貌和粗糙度。
     
   • 通过X射线光电子能谱（XPS）和X射线衍射（XRD）研究薄膜的元素组成和结晶质量。
     
   • 利用紫外-可见分光光度计（UV-Vis Spectrophotometry）测量薄膜的光学特性，包括透射率和吸收光谱。
     
   • 通过霍尔效应测量（Hall Effect Measurement）分析薄膜的电学特性，包括载流子类型、浓度、迁移率和电阻率。
     

2. 光电探测器制备与测试

   • 在氮掺杂Ga₂O₃薄膜上制备金属-半导体-金属（MSM）型光电探测器。
     
   • 在254 nm和365 nm紫外光照射下，测量探测器的时间依赖光响应特性，评估其性能。
     

主要结果
1. 薄膜生长与形貌
- 随着N₂流速的增加，薄膜厚度显著增加，最高生长速率出现在20 sccm时（22.9 nm/min）。
- AFM结果显示，薄膜表面粗糙度在N₂流速为20 sccm时最低（3.85 nm），表明此时薄膜表面最光滑。

1. 元素组成与结晶质量

   • XPS分析表明，随着N₂流速的增加，非晶格氧（Non-lattice Oxygen）的比例从7.06%增加到22.21%，表明氮掺杂引入了更多的氧缺陷。
     
   • XRD结果显示，N₂流速超过10 sccm时，薄膜呈现非晶态结构，表明高浓度氮掺杂破坏了Ga₂O₃的结晶有序性。
     

2. 光学与电学特性

   • UV-Vis光谱显示，随着N₂流速的增加，薄膜的吸收边发生红移，光学带隙（Eg）从4.78 eV降至4.25 eV。
     
   • 霍尔效应测量证实，氮掺杂Ga₂O₃薄膜呈现稳定的p型导电性，且随着N₂流速的增加，空穴浓度从2.6×10¹² cm⁻³增加到5.2×10¹⁴ cm⁻³。
     

3. 光电探测器性能

   • 在365 nm近紫外光照射下，基于25 sccm氮掺杂Ga₂O₃薄膜的光电探测器表现出高响应度（1.32×10² A/W）和快速响应时间（0.028/0.17 s）。
     
   • 与254 nm紫外光相比，探测器对365 nm光的响应更显著，表明氮掺杂对长波长紫外光具有更高的选择性。
     

结论
本研究通过射频磁控溅射技术成功制备了氮掺杂非晶Ga₂O₃薄膜，并系统研究了N₂流速对薄膜生长速率、形貌、组成、光学和电学特性的影响。研究发现，氮掺杂不仅实现了Ga₂O₃的p型导电性，还显著提高了其在近紫外光电探测器中的性能。这一研究为Ga₂O₃在双极器件中的应用提供了重要实验依据，并展示了其在下一代光电探测器中的潜力。

研究亮点
1. 首次通过射频磁控溅射技术实现了氮掺杂Ga₂O₃薄膜的p型导电性。
2. 系统研究了N₂流速对薄膜特性的影响，揭示了氮掺杂与薄膜性能之间的定量关系。
3. 基于氮掺杂Ga₂O₃薄膜的光电探测器在365 nm近紫外光下表现出优异性能，为高性能紫外探测器的开发提供了新思路。

其他有价值内容
本研究还探讨了氮掺杂对Ga₂O₃薄膜氧缺陷和结晶质量的影响，为后续优化薄膜性能提供了重要参考。此外，研究中使用的高灵敏度光电探测器制备方法具有较高的应用价值，可推广至其他半导体材料的器件开发中。