由西安電子科技大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)在學(xué)術(shù)期刊 Journal of Alloys and Compounds 發(fā)布了一篇名為 Improved crystal quality of β-Ga₂O₃ on sapphire (0001) substrates by induced-nucleation technique and enhancement of Ga₂O₃ UV photodetectors performance（通過(guò)誘導(dǎo)成核技術(shù)改善藍(lán)寶石（0001）襯底上 β-Ga₂O₃ 的晶體質(zhì)量并提高 Ga₂O₃ 紫外光探測(cè)器的性能）的文章。

項(xiàng)目支持

該項(xiàng)研究得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（批準(zhǔn)號(hào)：2022YFB3604400）、國(guó)家杰出青年科學(xué)基金（批準(zhǔn)號(hào)：61925404）、國(guó)家自然科學(xué)基金（批準(zhǔn)號(hào)：62104185、62074120、62404167）、中國(guó)博士后科學(xué)基金（批準(zhǔn)號(hào)：GZC20241306）和陜西省自然科學(xué)基礎(chǔ)研究項(xiàng)目（批準(zhǔn)號(hào)：2023-JC-JQ-56）的資助。

背景

β-Ga₂O₃ 因其超寬禁帶、高擊穿電場(chǎng)和優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性，在高功率電子器件和深紫外光電探測(cè)器領(lǐng)域具有巨大潛力。然而，在藍(lán)寶石襯底上進(jìn)行 β-Ga₂O₃ 外延生長(zhǎng)仍然面臨較大的晶體質(zhì)量挑戰(zhàn)，例如晶粒取向不均、晶格失配引起的缺陷等。該團(tuán)隊(duì)提出了一種氮離子注入誘導(dǎo)成核技術(shù)，通過(guò)在藍(lán)寶石襯底上預(yù)先進(jìn)行氮離子注入，以改善 β-Ga₂O₃ 薄膜的晶體質(zhì)量，并提升基于該材料的紫外光電探測(cè)器性能。

摘要

研究展示了在氮離子（N-ion）注入藍(lán)寶石 (0001) 襯底上生長(zhǎng)的 (–201) 向 β-Ga₂O₃ 薄膜的晶體質(zhì)量提升。受益于 N 注入在藍(lán)寶石襯底上誘導(dǎo)形成有序成核島，在隨后的生長(zhǎng)過(guò)程中形成了較大的晶粒。與傳統(tǒng)藍(lán)寶石襯底相比，β-Ga₂O₃ (–201) 晶面的 X 射線搖擺曲線半高寬（FWHM）從 9.93° 降低至 1.50°，同時(shí)均方根（RMS）粗糙度從16.25 nm 降低至 9.49 nm。此外，基于生長(zhǎng)在 N 離子注入劑量為 10¹² cm^-2 的藍(lán)寶石襯底上的 β-Ga₂O₃ 薄膜紫外探測(cè)器表現(xiàn)出增強(qiáng)的光學(xué)性能，并實(shí)現(xiàn)了高達(dá) 288 A/W 的紫外光響應(yīng)度。研究表明，誘導(dǎo)成核技術(shù)可有效改善 β-Ga₂O₃ 薄膜的晶體質(zhì)量，同時(shí)顯著提升基于該材料的紫外光探測(cè)器性能。

總結(jié)

該研究提出了一種在藍(lán)寶石襯底上通過(guò) N 離子注入誘導(dǎo)成核的方法，以改善 β-Ga₂O₃ 薄膜的晶體質(zhì)量。由于在 N 離子注入藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)的 β-Ga₂O₃ 薄膜晶粒尺寸增大，β-Ga₂O₃ 薄膜的晶體質(zhì)量得到了顯著改善。在氮離子劑量為 10¹² cm^-2 的氮離子注入藍(lán)寶石上生長(zhǎng)的 β-Ga₂O₃ 薄膜，其 (-201) 面的 X 射線搖擺曲線 (XRC) 的半高寬 (FWHM) 明顯減小。此外，基于晶體質(zhì)量得到改善的 β-Ga₂O₃ 薄膜的 β-Ga₂O₃ 紫外光探測(cè)器實(shí)現(xiàn)了 288 A/W 的高響應(yīng)率。

圖文示例

圖 1.不同氮離子注入劑量下沉積在氮離子注入藍(lán)寶石襯底上的β-Ga₂O₃ 薄膜的 HRXRD 圖樣。(c) 用 W-H 方法計(jì)算的晶粒尺寸。

圖 2.樣品 A、樣品 B、樣品 C 和樣品 D 的 AFM 和 SEM 圖像。

DOI：

doi.org/10.1016/j.jallcom.2025.178924

本文轉(zhuǎn)載自《亞洲氧化鎵聯(lián)盟》公眾號(hào)