【国际论文】电子束蒸发法沉积的氧化镓薄膜的光电性能与厚度依赖性

        由马来西亚理科大学的研究团队在学术期刊 Optical and Quantum Electronics 发布了一篇名为 Thickness dependence of optoelectronic properties of gallium oxide film deposited by electron beam evaporation technique（电子束蒸发法沉积的氧化镓薄膜的光电性能与厚度依赖性）的文章。

        自20世纪50年代被发现以来，氧化镓（Ga₂O₃）因其独特的内在物理特性一直吸引着研究人员的关注。它以超宽带隙（E_g）和显著的击穿场强为特征。β-Ga₂O₃ 晶体结构被认为是 Ga₂O₃ 最稳定的形式，属于宽带隙半导体，其带隙约为 4.8 eV。此外，还具有高击穿电场（约 8 MV/cm）、深紫外（<300 nm）透光性、强辐射、中等介电常数及高温稳定性。经常用于制造功率电子学的高压场效应晶体管（MOSFET、FET）。其巴利加优值约为 4H-SiC 的 10 倍，且比 GaAs 高出约 200 倍。由于上述优异性能，Ga₂O₃ 被应用于多种领域，包括透明导电氧化物、气体传感器、抗反射涂层、日盲紫外光探测器、金属-氧化物-半导体电容器以及光电化学水分解等。

        本研究探讨了 β-Ga₂O₃ 薄膜厚度对形态、拓扑结构、成分、结构、光学及光电性能的影响。薄膜通过电子束蒸发法沉积于蓝宝石和石英基底上。利用原子力显微镜分析了薄膜的表面粗糙度，结果显示随着薄膜厚度的增加，表面粗糙度从 2.70 nm 增至 5.03 nm。场发射扫描电子显微镜显示，晶粒尺寸从稀疏的微小晶粒过渡到分布更均匀的稍大晶粒。通过能谱分析确认了镓和氧原子的存在。X 射线衍射分析证实薄膜呈现 β-Ga₂O₃ 多晶结构。随着薄膜厚度的增加，层间距和晶粒尺寸从 6.67 nm 增加到 10.74 nm。相反，能带隙从 5.12 eV 减小至 4.87 eV。光学密度、皮肤深度、光学片电阻率和热发射率分别为0–3、10² cm, 10^–7 Ωm² 和 10^–12。研究还表明，光电参数如光学密度、折射率、堆积密度、色散能、单振子能、载流子浓度、等离子体频率、 relaxation 时间、光学电导率和电阻率随着薄膜厚度的增加而增大。相反，其他参数如皮肤深度、吸收系数、消光系数、带隙能量、孔隙率、晶格介电常数、光学片电阻率和热发射率随着薄膜厚度的增加而减小。

        采用电子束蒸发法在室温下成功制备了多晶 β-Ga₂O₃ 薄膜，并系统研究了其结构、形态、拓扑、光学及光电性能与薄膜厚度之间的关系。通过原子力显微镜（AFM）测量的表面粗糙度随着膜厚增加显著从 2.70 nm 增至 5.03 nm，而场发射扫描电子显微镜（FESEM）成像显示晶粒形态从稀疏的微小晶粒演变为更大晶粒的更均匀排列，表明晶粒生长增强。能谱分析（EDX）证实了镓和氧的存在，这是形成 β-Ga₂O₃ 的必要元素，而 X 射线衍射（XRD）分析表明随着膜厚增加和退火处理，晶体质量得到提升。薄膜的关键光电性能得到了表征，包括弛豫时间、载流子浓度、等离子体频率、光学迁移率和电阻率，分别为 10^–19 s, 10¹⁷ cm^-3, 10¹⁰ Hz, 10^–7 和10^–2 Ω·cm。值得注意的是，薄膜厚度增加会导致光学密度、折射率、堆积密度、色散能、单振子能、载流子浓度、等离子体频率、弛豫时间、光学导电率和电阻率增加。相反，皮肤深度、吸收系数、消光系数、带隙能、孔隙率、晶格介电常数、光学片电阻和热发射率等参数则会降低。这些发现为 β-Ga₂O₃ 薄膜的可调性能及其在光电子学和电子学领域的潜在应用提供了宝贵见解，包括光探测器、传感器和功率器件。此外，β-Ga₂O₃ 与 III 族氮化物技术的兼容性凸显了其在先进器件架构中集成的潜力。

图1. 生长在石英衬底上的 β-Ga₂O₃ 薄膜的 AFM 3D 表面拓扑结构。

图2. 生长在蓝宝石衬底上的 β-Ga₂O₃ 薄膜的 FESEM 表面形态图像。

DOI：

doi.org/10.1007/s11082-025-08272-3