通过SiO2缓冲层增强PECVD生长β-Ga2O3金属-半导体-金属结构日盲紫外光电探测器性能

《Nanomaterials》：Enhanced Performance of PECVD-Grown β-Ga2O3 MSM Solar-Blind Ultraviolet Photodetectors via a SiO2 Buffer Layer

　　

在Si上进行β-Ga₂O₃薄膜的异质外延生长用于日盲紫外光电探测器面临晶格失配和界面氧化等严峻挑战，导致高暗电流和低响应度。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，随后制备了金属-半导体-金属（MSM）结构日盲紫外光电探测器。系统研究了SiO₂缓冲层对器件晶体质量、界面特性及光电性能的影响。结果表明，SiO₂缓冲层可能缓解了Si上Ga₂O₃薄膜中由失配引起的应力，抑制了初始沉积阶段形成的暂定为SiOx-like（x ≤ 2）的不可控界面层，并显著改善了β-Ga₂O₃薄膜的晶体质量。与裸Si衬底上的器件相比，基于SiO₂缓冲衬底的光电探测器表现出显著降低的暗电流、5.01 × 10³的光暗电流比、3.32 A/W的响应度、1.14 × 10¹³ Jones的理论散粒噪声限制比探测率以及在5 V下高达8.12 × 10⁵的紫外-可见抑制比。SiO₂缓冲器件的整体性能明显优于裸Si器件，尽管响应速度略有下降。机制分析表明，致密的SiO₂缓冲层阻断了载流子向Si衬底的垂直泄漏路径，同时缓解了失配引起的应力并改善了薄膜质量。本研究为低成本、CMOS兼容的高性能硅基日盲紫外光电探测器提供了一条可行的技术路径。

研究背景方面，Si作为微电子产业的基石，具有低成本、大晶圆尺寸、高热导率和成熟加工技术等优势。将Ga₂O₃薄膜与Si衬底异质集成不仅能显著降低器件成本，还能实现高性能日盲紫外探测功能与先进硅基互补金属氧化物半导体（CMOS）读出电路的单片集成。然而，在Si衬底上直接生长高质量β-Ga₂O₃薄膜面临重大挑战：Ga₂O₃与Si之间超过20%的晶格失配以及热膨胀系数的显著差异导致外延薄膜中高密度位错和缺陷，甚至薄膜开裂；在富氧生长环境中，初始沉积阶段Ga₂O₃与Si衬底之间易发生界面反应，生成不可控的非晶SiOx或硅酸盐层，引入大量缺陷态，严重影响载流子输运并降低器件性能。现有研究主要采用AlN、Al₂O₃、HfO₂等缓冲层或籽晶层及后退火工艺来缓解失配，但通常需要额外的沉积设备和复杂的工艺步骤，增加了制造成本和工艺复杂度。相比之下，选择SiO₂作为缓冲层具有独特优势：可通过Si衬底原位热氧化直接生成，工艺简单、成本低；热氧化SiO₂/Si衬底是CMOS技术中的标准衬底，有利于实现单片集成；致密SiO₂层可作为有效扩散阻挡层，物理隔离Ga₂O₃与Si衬底，抑制界面反应和元素互扩散。

研究人员采用PECVD在n-Si(100)、p-Si(100)及单面100 nm热氧化SiO₂层的p-Si(100)三种衬底上沉积β-Ga₂O₃薄膜，以高纯金属镓（99.99%）为镓源，高纯氧（99.999%）为氧化气体，高纯氩（99.999%）为载体/保护气体，在850 °C、射频等离子体功率130 W条件下生长，氧气流量30 sccm，生长时间90 min。随后通过光刻和电子束蒸发制备指型MSM结构光电探测器，指长、指宽和指间距分别为100、10和10 μm，电极为Ni（100 nm）/Au（50 nm）双层结构，Ni与Ga₂O₃形成肖特基接触，Au作为电极保护层。研究得出以下结论：SiO₂缓冲层的引入通过缓解失配应力、抑制SiOx-like界面层形成和降低初始成核密度等机制显著改善了Ga₂O₃薄膜的晶体质量和界面特性，对应器件在光暗电流比、响应度、比探测率和紫外-可见抑制比等关键性能指标上优于裸硅衬底器件，但响应速度略有降低。该研究为硅基集成高性能Ga₂O₃日盲紫外光电探测器提供了可行途径和实验基础。

关键技术方法方面，研究人员采用等离子体增强化学气相沉积（PECVD）在850 °C、130 W射频等离子体功率下生长β-Ga₂O₃薄膜；通过光刻和电子束蒸发制备Ni/Au指型MSM结构器件；利用X射线衍射（XRD）分析晶体结构和相组成，原子力显微镜（AFM）表征表面粗糙度，场发射扫描电子显微镜（FESEM）观察表面形貌和截面结构，X射线光电子能谱（XPS）分析O 1s化学态，稳态荧光光谱仪测试光致发光（PL）光谱，光谱椭偏仪（SE）测量吸收系数和光学带隙；采用自组装光电测试平台结合Keithley 4200数字源表、探针台、150 W氙灯、示波器和单色仪测试光电特性。研究所用衬底为n-Si(100)、p-Si(100)及单面100 nm热氧化SiO₂层的p-Si(100)，其中n-Si和p-Si衬底经RCA清洗和原生氧化层去除，SiO₂/Si衬底仅经标准清洗。

研究结果方面，材料表征部分：XRD分析表明S-n-Si和S-p-Si样品在18.9°、38.3°和59.1°处显示β-Ga₂O₃的(?201)、(?402)和(?603)衍射峰，沿(?201)方向择优取向，衬底掺杂类型对晶体生长行为无显著影响；S-p-Si/SiO₂样品除上述峰外还出现30.3°、33.4°、35.2°、42.9°、45.8°、48.6°和60.9°等多个额外衍射峰，对应(?401)、(?111)、(111)、(311)、(?312)、(510)和(?711)晶面，呈典型随机取向多晶结构，且几乎所有衍射峰强度显著增强、半高全宽（FWHM）明显变窄，(?402)峰FWHM从S-p-Si的1.45° ± 0.02°降至S-p-Si/SiO₂的0.39° ± 0.02°，平均晶粒尺寸从5.80 ± 0.50 nm增至21.70 ± 0.50 nm。SEM分析表明三种样品均形成连续致密薄膜，S-n-Si和S-p-Si表面形貌高度相似，为20–150 nm宽尺寸分布的纳米晶粒；S-p-Si/SiO₂显示100–300 nm充分生长的多边形等轴晶粒，晶界清晰锐利，尺寸均匀性显著改善。截面SEM显示S-n-Si和S-p-Si膜厚分别为84.9 nm和96.0 nm，Ga₂O₃与衬底间存在约20 nm厚的SiOx-like（x ≤ 2）界面层；S-p-Si/SiO₂呈清晰的p-Si/SiO₂缓冲层/Ga₂O₃三层结构，无额外二次氧化层，Ga₂O₃膜厚约131.7 nm。AFM显示S-n-Si和S-p-Si的RMS分别为10.552 nm和13.624 nm，S-p-Si/SiO₂的RMS为36.287 nm，后者增大源于晶粒充分生长和生长模式转变，不代表薄膜质量退化。XPS分析表明OII/(OI + OII)比值从S-p-Si的35.09%降至S-p-Si/SiO₂的28.18%，氧空位缺陷浓度显著降低。PL光谱分析表明S-n-Si和S-p-Si以绿光（GL）发射为主（约53.76%和56.76%），伴随可观的红光（RL）发射（约13.04%和13.74%）；S-p-Si/SiO₂的RL比例降至5.53%，蓝光（BL）比例从29.49%增至44.34%，表明SiO₂缓冲层有效抑制了复杂深能级缺陷团簇的形成。SE分析表明三种样品在250 nm附近均显示陡峭的本征吸收边，S-p-Si/SiO₂吸收系数显著高于裸Si样品且吸收边更陡；S-n-Si和S-p-Si带隙均为4.92 eV，S-p-Si/SiO₂为4.90 eV，与β-Ga₂O₃公认本征带隙一致。光电性能分析部分：I–V特性表明PD-n-Si和PD-p-Si暗电流曲线呈明显不对称性，PD-p-Si/SiO₂暗电流显著降低且曲线呈现优异对称性。在5 V偏压下，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，比探测率分别为3.11 × 10¹²、3.33 × 10¹²和1.14 × 10¹³ Jones。光谱响应分析表明三种器件截止波长分别为267、266和269 nm，均完全覆盖日盲区；紫外-可见抑制比（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。瞬态响应测试表明PD-n-Si、PD-p-Si和PD-p-Si/SiO₂的上升/下降时间分别为1.26/0.17 s、0.88/0.19 s和3.05/0.43 s，SiO₂缓冲器件响应速度最慢。多周期I–t测试表明三种器件在连续开关测试中光电流和暗电流水平高度一致，无显著退化，存放两个月后性能衰减可忽略，具有良好的长期可靠性。机制分析部分：根据Anderson能带模型计算Ga₂O₃与Si的导带偏移ΔEC均为0.05 eV，价带偏移ΔEV分别为3.75 eV和3.73 eV。PD-p-Si中SiOx-like界面层允许电子通过缺陷态隧穿进入Si衬底形成垂直泄漏电流；PD-p-Si/SiO₂中100 nm致密热氧化SiO₂层形成极高能垒并物理阻断垂直载流子输运路径，暗电流完全抑制。器件中存在两条载流子输运路径：β-Ga₂O₃层内横向输运和经SiOx层进入Si衬底的垂直输运。SiO₂缓冲层阻断垂直路径、作为扩散阻挡层抑制Ga和Si元素互扩散、缓解失配应力促进晶粒充分生长、减少晶界和体缺陷处光生载流子复合损失，从而同时提升响应度和比探测率。响应速度略慢归因于垂直高迁移率Si衬底快速载流子提取通道被抑制、残余缺陷和晶界处俘获/去俘获过程以及界面态和持续光电导效应等因素的组合。厚度增加约37%不能解释暗电流降低等性能提升，主导效应归因于SiO₂缓冲层诱导的晶体质量改善和界面阻断。

讨论部分总结：研究人员将器件关键性能指标与近期报道的Ga₂O₃/Si日盲光电探测器（包括采用AlN、Al₂O₃和SiO₂缓冲层的器件）进行了对比，虽然某些高增益器件在高反偏下表现出更高绝对响应度，但本工作MSM器件在5 V低工作偏压下光暗电流比和比探测率具有高度竞争力。本工作的主要进展在于结合低成本PECVD生长、CMOS兼容热氧化SiO₂/Si衬底以及平衡的光暗电流比、响应度、比探测率和光谱选择性，无需额外缓冲层沉积设备。研究结论翻译如下：本研究采用PECVD在n-Si(100)、p-Si(100)及单面100 nm热氧化SiO₂层的p-Si(100)衬底上沉积β-Ga₂O₃薄膜，随后制备了指型MSM结构日盲紫外光电探测器。结果表明，SiO₂缓冲层的引入通过缓解Si上Ga₂O₃薄膜中失配引起的应力、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，显著增强了Ga₂O₃薄膜的晶体质量和界面特性。因此，对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-可见抑制比等关键性能指标上优于裸硅衬底上的同类器件，展现出优异的日盲紫外探测能力。然而，器件响应速度略有降低，暂归因于Si衬底垂直载流子输运被抑制、缺陷和晶界处俘获/去俘获以及可能的界面态效应的组合。综合比较表明，在硅衬底上引入SiO₂缓冲层是优化Ga₂O₃薄膜结构质量和提升器件整体光电性能的有效策略，为实现硅集成高性能Ga₂O₃日盲紫外光电探测器提供了可行途径和实验基础。