一种用于调控Ga2O3薄膜的表面电子结构的的热重组工程

氧化镓（Ga2O3）因其超宽的带隙和高临界击穿电场，可满足当前器件大功率和微型化的发展需求，已成为新一代电力电子和光电器件的热门材料。目前日盲紫外光电探测是Ga2O3的一个重要应用，而提高其光电探测性能是Ga2O3研究的热门话题之一。由于表面是器件中载流子传输和信号捕捉的主要部分，对表面的调控会在很大程度上改变器件的性能。然而，表面作为一个非常薄的有源层，难以实现对其有源通道特性的稳定控制。目前，人们已经探索并使用了许多表面调控方法来提高光电探测器的性能，其中引入局部表面等离激元和局部表面肖特基结是最常见的方法之一，但这种方法成本相对较高，操作也比较复杂。

南京邮电大学唐为华教授研究团队提出了一种用于调控Ga2O3薄膜的表面电子结构的简单而廉价的热重组工程，从而进一步实现对其光电性能的调控。研究成果以“Tunable Ga2O3 solar-blind photosensing performance via thermal reorder engineering and energy-band modulation”为题，发表在IOP Publishing 《Nanotechnology》期刊上。

课题组采用低成本、生长速度较快的等离子体增强化学气相沉积法（PECVD）生长了四组Ga2O3薄膜，将其中的三组薄膜分别在真空、氧气和氧等离子体中使用1000 ℃的高温退火1小时。通过对四组Ga2O3薄膜带隙的拟合和X射线光电子能谱（XPS）分析（如图1所示），发现热重组使得Ga2O3薄膜表面的能带结构（包括禁带宽度和价带位置）发生了不同程度的改变。图2为对四组薄膜O 1s的分峰拟合结果，其中OI表示晶格氧，OII表示薄膜中的氧空位，从中可以看出，富氧的退火环境可以降低薄膜中的氧空位浓度，而缺氧的退火环境则增加了薄膜中的氧空位。此外，通过第一性原理计算得出，Ga2O3薄膜的带隙随着氧空位浓度的增加而增大，这与实验测量数据非常吻合，计算结果与实验得出的四组Ga2O3薄膜的能带结构如图3所示。

图1. 未处理和退火后Ga2O3薄膜的 (a) 紫外可见吸收光谱和 (b) 价带最大值。

图 2. (a) 未处理和在 (b) 真空中退火 (c) 氧气中退火和 (d) 氧等离子体中退火后的Ga2O3薄膜XPS光谱中O 1 s峰的曲线拟合。

图 3. (a) 单胞，(b) 1×2×1超晶胞和 (c) 1×3×1超晶胞模型的能带结构。(d) 由在不同气体环境中退火的Ga2O3薄膜制备的光电探测器的能带排列。

此外，基于这四种Ga2O3薄膜制备了金属-半导体-金属（MSM）型光电探测器，电极采用金属铟，观察到经过热处理后，光电探测器的暗电流可以从154.63 pA 下降到269 fA，光暗电流比（PCDR）提高了100倍，探测度（D*）提高了10倍，具体结果如图4所示。高温处理导致了晶体重组，从而在很大程度上提高了薄膜的结晶质量，进而改善了光电探测器的性能。此外，氧空位为金属氧化物晶体中一种主要的缺陷，如图5所示，在光电探测器工作时氧空位会捕获光生载流子，从而增强器件的自陷效应，导致光电探测能力的降低。经过富氧氛围的热退火之后，薄膜表面氧空位浓度的抑制也在一定程度上提高了薄膜的光敏性能。

图 4. 基于在不同气体环境中退火的Ga2O3薄膜制备的光电探测器在黑暗中以及光强为220 μW/cm2的254 nm光照下的 (a) 半对数I-V曲线，(b) 光暗电流比以及 (c) 外量子效率和检测率。

图 5. 光电探测器的工作机制示意图。

在这项工作中，通过一种低成本、易操作的热退火方法，实现了对PECVD法生长的Ga2O3薄膜的表面调控，并基于能带调控理论，探索了这种热重组工程对基于Ga2O3的MSM型电光探测器性能的具体影响，提出了可实现的表面改性方法，涉及宽带隙半导体Ga2O3的表面物理与光电物理的融合。工作发表于Nanotechnology，第一作者为博士生奚昭颖，通讯作者为唐为华教授和刘增副教授。

审核编辑：汤梓红