【会员论文】东北师范大学李炳生教授宽带隙半导体团队：通过面对面热退火结合氧等离子体处理制备基于β相氧化镓的高性能日盲光电探测器

        由东北师范大学李炳生教授团队在学术期刊 Applied Materials Today 发布了一篇名为 High performance solar blind photodetector based on β-Ga₂O₃ achieved via face-to-face thermal annealing with oxygen plasma treatment（通过面对面热退火结合氧等离子体处理制备基于 β-Ga₂O₃ 的高性能日盲光电探测器）的文章。

        本研究得到国家自然科学基金（项目编号：62274027 和 62404039）的支持， 松山湖材料实验室开放课题基金（2023SLABFK03）和111中心（B25030），中国青年科学家基金博士后项目（GZC20230416），以及中央高校基本科研业务费专项资金（2412024QD010）。

        β-Ga₂O₃ 因其超宽禁带和超高的化学物理稳定性成为日盲紫外探测器应用中的理想材料。成本低、增益高的光电导型是 β-Ga₂O₃ 基光电探测器件的基本结构之一。然而，β-Ga₂O₃ 材料本身存在氧空位、镓空位等各种缺陷，这些缺陷会充当非辐射复合中心，影响载流子的输运，阻碍器件关键性能的提升。目前，热退火是改善晶体和降低缺陷密度的有效方法。但传统退火方法可能导致 Ga₂O₃ 薄膜表面损伤，尤其在高温条件下，可能导致其表面形貌和晶体质量退化。因此，开发一种既能有效消除内部缺陷，又能保护薄膜表面质量的先进后处理技术至关重要。

        本研究提出了一种新颖的等离子体面对面退火工艺，以改善材料质量和器件性能。氧等离子体中的原子氧能够更高效地吸附在表面并扩散到薄膜内部。面对面的样品放置方式可以保护 Ga₂O₃ 的表面免受损伤，并防止表面氧的流失 / 再蒸发。为了进行对比，采用了三种不同的退火工艺：（1）空气中退火。在此工艺中，样品正面朝上（无覆盖）放置在炉内，退火过程中向炉内通入空气。（2）氧等离子体下退火（OPA）。此工艺中，氧等离子体由射频功率产生，包含氧分子（O₂）、氧离子（O₂⁺/^-）和原子氧（O），退火时通入该氧等离子体，样品正面朝上（无覆盖）放置在炉内。（3）氧等离子体面对面退火（OPA FTF）。该工艺中，样品在炉内面对面放置，同时通入氧等离子体。OPA FTF的工艺处理后，β-Ga₂O₃ 薄膜表面均方根表面粗糙度从 14.9 nm 降至 7.5 nm，(-201) X 射线衍射峰的半高宽从 0.129° 降至 0.093°。表面氧空位降至 2.88%， 内部氧空位低至 2.53%。金属-半导体-金属（MSM）光电探测器的暗电流在 10 V 偏压下低至 30 fA。该器件展现出优异性能，光暗电流比为 6.06 × 10⁷，探测率为 5.68 × 10¹⁵ Jones。这项工作为制备高质量 β-Ga₂O₃ 薄膜提供了一种可行的工艺。

        ● 采用氧等离子体面对面退火（OPA FTF）工艺技术,样品面对面放置阻挡高能离子轰击，同时抑制高温下表面氧的再蒸发。避免传统退火导致的表面粗糙。

        ● 成功地实现了表面和体相缺陷的双重调节。表面和内部氧空位分别降低至 2.88% 和 2.53%。显著降低缺陷密度，提高了晶体质量。

        ● MSM 探测器件在 10V 偏压下暗电流低至 30fA, 光暗电流比高达 6.06 × 10⁷，探测率为 5.68 × 10¹⁵ Jones。实现 β-Ga₂O₃ 基日盲探测器件性能大幅提升。

        通过优化生长后退火处理条件可以得到高质量的 β-Ga₂O₃ 薄膜和高性能的 β-Ga₂O₃ 基 PDs。1000℃ 空气退火后结晶质量（FWHM=0.109°）显著提升。采用氧等离子体面对面（OPA FTF）退火工艺对 β-Ga₂O₃ 薄膜进行处理，能进一步改善其结晶质量和表面形貌，此时 X 射线衍射峰的半高宽为 0.093°，均方根（RMS）粗糙度为 7.5 nm。面对面的样品放置方式可保护样品表面免受高能氧离子的损伤，并防止 β-Ga₂O₃ 表面的氧流失 / 再蒸发。等离子体源提供的氧原子扩散到薄膜中，填补了氧空位，与未退火样品相比，Ga₂O₃ 中的氧空位（V_O）浓度从 6.26% 有效降至 2.53%。采用经 OPA FTF 工艺退火的样品制备的光电探测器，其性能得到显著改善，光暗电流比（PDCR）较高，达6.06×10⁷，探测率高达 5.68×10¹⁵ Jones。该器件还具有良好的时间响应和长期稳定性，这在需要高效、准确探测紫外光的应用中具有重要意义。

图1. β-Ga₂O₃ 基光电探测器制备的工艺流程图。并且展示了退火过程中薄膜放置的放大示意图。三种退火工艺分别为：(1) 空气中退火，样品正面朝上（未封装）；(2) OPA退火，样品正面朝上；以及 (3) OPA FTF 退火，样品正面相对。

图2. (a) 和 (d) XRD 衍射曲线；(b) 和 (e) (−201) 衍射峰的放大视图；(c) 和 (f) 未退火样品及不同退火条件下样品的 (−201) 衍射峰全宽半高值 (FWHM)。

图3 . (a)不同条件下退火的β-Ga₂O₃薄膜制备的PDs的I - V曲线；(b) β-Ga₂O₃ MSM PDs的响应度和(c)探测率；(d)总结了PDCR和响应度随退火工艺的变化规律。

DOI：

doi.org/10.1016/j.apmt.2025.102851