热氧化SiO2缓冲层提升Si上β-Ga2O3薄膜质量及MSM日盲紫外探测器综合性能

《Nanomaterials》：Zero-Dimensional Lead-Free Perovskite Single Crystals for High-Performance Photodetection

　　

Si上异质外延生长β-Ga₂O₃薄膜用于日盲紫外光电探测器面临晶格失配和界面氧化的严峻挑战，导致暗电流高和响应度低。本研究采用等离子体增强化学气相沉积（PECVD）在n-Si(100)、p-Si(100)以及具有100 nm热氧化SiO₂缓冲层的p-Si(100)衬底上沉积β-Ga₂O₃薄膜，随后制备金属-半导体-金属（MSM）结构日盲紫外光电探测器。系统研究SiO₂缓冲层对晶体质量、界面特性和器件光电性能的影响。结果表明，SiO₂缓冲层可能缓解Si上Ga₂O₃薄膜中失配诱导的应力，抑制初始沉积阶段暂定为SiOx-like（x ≤ 2）的不可控界面层的形成，并显著提高β-Ga₂O₃薄膜的晶体质量。与裸Si衬底器件相比，基于SiO₂缓冲衬底的探测器暗电流显著降低，光暗电流比为5.01 × 10³，响应度为3.32 A/W，理论散粒噪声限制比探测率为1.14 × 10¹³ Jones，在5 V下紫外/可见抑制比高达8.12 × 10⁵。SiO₂缓冲器件的总体性能明显优于裸Si器件，但响应速度略有下降。机理分析表明，致密SiO₂缓冲层阻断载流子向Si衬底的垂直泄漏路径，同时缓解失配诱导的应力并改善薄膜质量。该工作为低成本、互补金属氧化物半导体（CMOS）兼容的高性能硅基日盲紫外光电探测器提供了可行技术途径。

研究背景与问题：Si作为微电子产业的基础，具有低成本、大晶圆尺寸、高热导率和成熟加工工艺等优势。将Ga₂O₃薄膜与Si衬底异质集成，既可降低器件成本，又可实现高性能日盲紫外探测功能与Si基互补金属氧化物半导体（CMOS）读出电路的单片集成，对智能传感和紫外成像等系统级芯片应用具有吸引力。然而，Si上直接生长高质量β-Ga₂O₃薄膜面临两方面问题：其一，Ga₂O₃与Si之间晶格失配超过20%，热膨胀系数差异显著，易导致高位错密度、缺陷甚至薄膜开裂；其二，在富氧生长环境中，初始沉积阶段易发生界面反应，生成不可控的非晶SiOx或硅酸盐层，引入大量缺陷态，影响载流子输运并降低器件性能。已有研究采用AlN、Al₂O₃、HfO₂缓冲层、籽晶层或后退火缓解失配，例如Gao et al.引入AlN缓冲层提高β-Ga₂O₃晶体质量并降低暗电流，Liu et al.采用原子层沉积插入Al₂O₃或HfO₂缓冲层抑制花状开裂并降低表面粗糙度，Arora et al.利用高温籽晶层实现非晶到多晶转变并制备自供电器件。但这些方法通常需要额外沉积设备和复杂工艺，增加成本与工艺复杂度。SiO₂缓冲层可由Si衬底原位热氧化获得，工艺简单、成本低；热氧化SiO₂/Si是CMOS标准衬底，便于单片集成；致密SiO₂还可作为扩散阻挡层，物理隔离Ga₂O₃与Si，抑制界面反应和元素互扩散。因此，研究人员开展本研究，采用PECVD在n-Si(100)、p-Si(100)和单面100 nm热氧化SiO₂的p-Si(100)上沉积β-Ga₂O₃薄膜，制备MSM结构日盲紫外光电探测器，系统研究衬底掺杂类型和SiO₂缓冲层对晶体结构、表面形貌、光学性质及光电性能的影响。结果表明，衬底掺杂类型影响较弱，而SiO₂缓冲层是性能差异的关键因素；该策略为低成本、高性能、CMOS兼容的硅基日盲紫外探测器提供了可行途径。

关键技术方法（≤250字）：衬底为n-Si(100)、p-Si(100)和单面100 nm热氧化SiO₂的p-Si(100)，未涉及样本队列。采用PECVD沉积β-Ga₂O₃；通过光刻和电子束蒸发制备Ni/Au叉指MSM电极。材料表征包括X射线衍射（XRD）、原子力显微镜（AFM）、场发射扫描电子显微镜（FESEM）、X射线光电子能谱（XPS）、稳态光致发光（PL）和椭偏光谱（SE）；光电测试使用Keithley 4200、探针台、150 W Xe灯、示波器和单色仪，并以标准Si探测器校准。

3.1 材料表征（Materials Characterization）：通过XRD、SEM、AFM、XPS、PL和SE对三种薄膜进行表征。XRD显示，S-n-Si与S-p-Si衍射特征高度一致，均沿β-Ga₂O₃（?201）方向择优取向，峰强和半高宽无显著差异，说明衬底掺杂类型不显著影响晶体生长；S-p-Si/SiO₂出现多个额外β-Ga₂O₃衍射峰，呈随机取向多晶结构，且峰强增强、半高宽变窄，代表性（?402）峰半高宽由1.45° ± 0.02°降至0.39° ± 0.02°，平均晶粒尺寸由5.80 ± 0.50 nm增至21.70 ± 0.50 nm，表明SiO₂缓冲层提高晶体质量并促进晶粒生长。SEM/AFM显示三种薄膜连续致密、无通孔和裂纹；裸Si样品表面为20–150 nm纳米晶，S-p-Si/SiO₂为100–300 nm多边形等轴晶，晶界清晰、均匀致密，RMS由裸Si的10.552/13.624 nm增至36.287 nm，原文认为该增加来自晶粒充分生长和生长模式转变，不表示薄膜质量退化，且伴随晶界密度降低和体缺陷减少。截面SEM显示裸Si样品存在约20 nm暂定为SiOx-like（x ≤ 2）的界面层，而S-p-Si/SiO₂呈p-Si/SiO₂/Ga₂O₃三层结构，无额外二次氧化层，Ga₂O₃厚度约131.7 nm，大于裸Si样品的84.9和96.0 nm。XPS O 1s表明O_II/(O_I+O_II)由S-p-Si的35.09%降至S-p-Si/SiO₂的28.18%，氧空位相关缺陷浓度降低。PL拟合显示蓝（BL）、绿（GL）、红（RL）三个缺陷发光带；S-p-Si/SiO₂的RL比例降至5.53%，BL比例由29.49%升至44.34%，表明复杂深能级缺陷团簇受抑制。SE显示三种薄膜在约250 nm处有陡峭本征吸收边，S-p-Si/SiO₂吸收系数更高、吸收边更陡；Tauc分析得Eg为4.92、4.92和4.90 eV，与β-Ga₂O₃公认带隙一致。

3.2 光电性能分析（Optoelectronic Performance Analysis）：通过暗/光照I–V、光谱响应、瞬态响应和多周期I–t测试评价器件。PD-n-Si与PD-p-Si的I–V曲线高度相似，暗电流呈明显不对称；PD-p-Si/SiO₂暗电流显著降低且暗I–V高度对称。5 V下PD-n-Si、PD-p-Si和PD-p-Si/SiO₂的光暗电流比分别为7.36 × 10²、8.13 × 10²和5.01 × 10³，响应度分别为1.68、1.74和3.32 A/W，理论散粒噪声限制比探测率分别为3.11 × 10¹²、3.33 × 10¹²和1.14 × 10¹³ Jones；PD-p-Si/SiO₂三项指标最高。光谱响应显示三者截止波长分别为267、266和269 nm，覆盖日盲区；R₂₅₄/R₄₀₀分别为3.46 × 10³、4.68 × 10³和8.12 × 10⁵，PD-p-Si/SiO₂光谱选择性最佳，原文归因于晶体质量提高抑制缺陷辅助亚带隙吸收。瞬态响应显示τ_rise/τ_fall分别为1.26/0.17 s、0.88/0.19 s和3.05/0.43 s，PD-p-Si/SiO₂响应最慢。多周期I–t测试及大气储存两个月后测试表明三种器件稳定性、重复性和耐久性良好，无明显性能退化。综合结果表明衬底掺杂类型影响弱，SiO₂缓冲层是性能提升关键，但会延长响应时间。

3.3 机理分析（Mechanism Analysis）：基于材料表征和器件性能结果，并结合能带与载流子输运路径分析，原文以p-Si样品为例讨论。Anderson模型计算得Ga₂O₃/Si的?E_C均为0.05 eV，?E_V分别为3.75和3.73 eV。PD-p-Si中Ga₂O₃与p-Si之间存在薄且有缺陷的SiOx-like（x ≤ 2）层，电子可由Ga₂O₃侧经缺陷态隧穿进入Si，形成垂直漏电，导致暗电流较高。PD-p-Si/SiO₂中100 nm致密热氧化SiO₂本征缺陷少，形成高能垒并物理阻断垂直载流子输运，使来自Si衬底的漏电流被完全抑制，暗电流显著降低。原文提出两条载流子路径：一为β-Ga₂O₃层内横向输运；二为β-Ga₂O₃经SiOx层进入Si衬底后再在衬底内横向输运。裸Si样品中SiOx层疏松、含悬键、氧空位和微孔等缺陷，不能充分缓冲失配应力，限制晶粒生长并引入晶格缺陷，增加界面漏电和缺陷辅助隧穿电流；SiO₂缓冲层则阻断垂直漏电，并作为扩散阻挡层抑制Ga/Si互扩散，可能缓解失配应力、促进晶粒生长、减少晶界和体缺陷复合损失，从而提高响应度和比探测率。对于响应速度略慢，原文认为可能由抑制经高迁移率Si衬底的垂直快速抽取、Ga₂O₃中残余缺陷和晶界俘获/去俘获、界面态及类持续光电导效应共同贡献；并指出两路径模型基于暗电流行为、截面SEM和已有文献，而非直接衬底偏压或垂直输运测量，尚需专门实验定量区分。

讨论总结：讨论部分将本器件与已报道Ga₂O₃/Si日盲探测器比较，指出部分高增益器件在高反偏下具有更高绝对响应度，但本MSM器件在5 V低偏下光暗电流比和比探测率具有竞争力；主要进展在于结合低成本PECVD、CMOS兼容热氧化SiO₂/Si衬底以及较平衡的光暗电流比、响应度、比探测率和光谱选择性，且无需额外缓冲层沉积设备。原文还指出，虽然SiO₂/Si上Ga₂O₃较厚，但厚度增加不能解释暗电流降低及光暗电流比、比探测率和紫外/可见抑制比的大幅提升；n-Si与p-Si器件存在约11 nm厚度差但性能几乎相同，而SiO₂缓冲器件较PD-p-Si的光暗电流比高6.2倍、比探测率高3.4倍、紫外/可见抑制比高174倍，主导因素应归因于SiO₂缓冲层改善晶体质量和界面阻挡，厚度增加可能部分增强光吸收从而提高响应度。

研究结论部分翻译：本工作采用PECVD在n-Si(100)、p-Si(100)和单面100 nm热氧化SiO₂的p-Si(100)上沉积β-Ga₂O₃薄膜，并制备MSM叉指日盲紫外光电探测器。结果表明，引入SiO₂缓冲层通过缓解Si上Ga₂O₃薄膜中失配诱导应力、抑制暂定为SiOx-like（x ≤ 2）的额外界面层形成以及降低初始成核密度等机制，显著提高Ga₂O₃薄膜的晶体质量和界面特性。因此，相应器件在光暗电流比、响应度、理论散粒噪声限制比探测率和紫外/可见抑制比等关键指标上优于裸硅衬底器件，表现出更优日盲紫外探测能力。然而，器件响应速度略有降低，暂归因于经Si衬底的垂直载流子输运受抑制、缺陷与晶界处俘获/去俘获以及可能的界面态效应。综合比较表明，在硅衬底上引入SiO₂缓冲层是优化Ga₂O₃薄膜结构质量并提升器件整体光电性能的有效策略，为硅集成高性能Ga₂O₃日盲紫外光电探测器提供了可行途径和实验基础。