等离子体功率调控的Ga-S-Se薄膜PECVD制备及其在可见光探测器中的应用研究

为开发高性能可见光探测器材料，研究人员采用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)技术，通过调控射频等离子体功率(30-70W)制备GaS1?x Sex (x≈0.6)薄膜。研究发现50W功率下制备的薄膜具有最佳结晶性(六方晶系a=3.68?/c=15.77?)、最光滑表面(粗糙度3.9nm)及显著光响应特性，其间接带隙可调至2.21-2.27eV，光致发光峰位于561-565nm，为可见光矩阵探测器开发提供了新材料解决方案。

　　

在光电传感技术快速发展的今天，传统探测器材料面临体积笨重、响应延迟和能耗过高等瓶颈问题。随着物联网和大数据时代对微型化、高性能传感器的迫切需求，新型半导体材料的开发成为研究热点。其中，具有层状结构的III-VI族化合物半导体GaS和GaSe因其独特的能带可调性和优异的光电性能备受关注，但薄膜制备技术尤其是组分精确控制的GaS_1?x
Se_x
薄膜生长仍存在重大挑战。

俄罗斯科学基金会支持的研究团队在《Vacuum》发表重要成果，创新性地采用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)技术，以超高纯度(99.9999%)的镓、硫、硒为原料，在0.1Torr低压和40.68MHz射频等离子体条件下，系统研究了等离子体功率(30-70W)对Ga-S-Se薄膜性能的影响。研究通过光学发射光谱实时监控等离子体化学反应过程，结合X射线衍射(XRD)、拉曼光谱、原子力显微镜(AFM)和光电性能测试等多维度表征手段，揭示了等离子体功率与材料特性的构效关系。

实验方法
研究采用定制化PECVD系统，以高纯Ar为载气，通过独立控温的硫(333K)、硒(473K)和镓(1173K)蒸发源精确调控前驱体比例。利用光学发射光谱(OES)分析等离子体中Ga
(417.2nm)、S₂

(564.1nm)等活性物种分布，薄膜沉积在300℃基底完成。通过XRD确定晶体结构，AFM表征表面形貌，紫外-可见光谱计算带隙，并搭建标准光电测试系统评估光响应特性。

光学发射光谱分析
OES数据显示50W等离子体功率下，Ga
和S₂

发射峰强度达到最佳平衡，此时硫以S₂
二聚体形式主导反应，而高功率(70W)会导致过度的硒碎片化。这种等离子体化学状态的精确调控是实现理想化学计量比(GaS_0.4
Se_0.6
)的关键。

结构特性
所有样品均呈现六方层状结构，优选(004)晶面取向。50W制备的薄膜结晶度最高，晶格参数a=3.68?/c=15.77?与体材料一致。拉曼光谱中Ga-Se(213cm^?1
)和Ga-S(294cm^?1
)振动模的共存证实了固溶体形成。AFM显示50W样品表面粗糙度最低(3.9nm)，而30W和70W样品分别出现岛状生长(12.6nm)和过度刻蚀(8.3nm)特征。

光电性能
光学测试表明间接带隙随功率增加从2.27eV(30W)红移至2.21eV(70W)，归因于Se含量增加引起的能带重整化。所有样品在561-565nm处显示强光致发光峰，对应2.21-2.25eV的直接跃迁。电流-电压测试显示50W和70W样品在白光LED照射下光电流显著提升，证实其适用于可见光探测。

结论与意义
该研究成功建立了PECVD制备Ga-S-Se薄膜的工艺-性能关系模型，50W等离子体功率下获得的薄膜兼具优异结晶质量、原子级光滑表面和显著光响应特性。其创新性体现在：首次实现元素源PECVD法制备组分可控的GaS_1?x
Se_x
薄膜；揭示了等离子体功率通过调控活性物种浓度影响薄膜生长的机制；开发的材料在可见光探测器、偏振敏感器件和异质结光电器件中具有明确应用前景。这项工作为层状半导体薄膜的低成本制备提供了新范式，对推动光电传感器微型化发展具有重要意义。