由西安電子科技大學的研究團隊在學術期刊 Journal of Alloys and Compounds 發布了一篇名為 Improved crystal quality of β-Ga₂O₃ on sapphire (0001) substrates by induced-nucleation technique and enhancement of Ga₂O₃ UV photodetectors performance（通過誘導成核技術改善藍寶石（0001）襯底上 β-Ga₂O₃ 的晶體質量并提高 Ga₂O₃ 紫外光探測器的性能）的文章。

項目支持

該項研究得到了國家重點研發計劃（批準號：2022YFB3604400）、國家杰出青年科學基金（批準號：61925404）、國家自然科學基金（批準號：62104185、62074120、62404167）、中國博士后科學基金（批準號：GZC20241306）和陜西省自然科學基礎研究項目（批準號：2023-JC-JQ-56）的資助。

背景

β-Ga₂O₃ 因其超寬禁帶、高擊穿電場和優良的化學穩定性，在高功率電子器件和深紫外光電探測器領域具有巨大潛力。然而，在藍寶石襯底上進行 β-Ga₂O₃ 外延生長仍然面臨較大的晶體質量挑戰，例如晶粒取向不均、晶格失配引起的缺陷等。該團隊提出了一種氮離子注入誘導成核技術，通過在藍寶石襯底上預先進行氮離子注入，以改善 β-Ga₂O₃ 薄膜的晶體質量，并提升基于該材料的紫外光電探測器性能。

摘要

研究展示了在氮離子（N-ion）注入藍寶石 (0001) 襯底上生長的 (–201) 向 β-Ga₂O₃ 薄膜的晶體質量提升。受益于 N 注入在藍寶石襯底上誘導形成有序成核島，在隨后的生長過程中形成了較大的晶粒。與傳統藍寶石襯底相比，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°，同時均方根（RMS）粗糙度從16.25 nm 降低至 9.49 nm。此外，基于生長在 N 離子注入劑量為 10¹² cm^-2 的藍寶石襯底上的 β-Ga₂O₃ 薄膜紫外探測器表現出增強的光學性能，并實現了高達 288 A/W 的紫外光響應度。研究表明，誘導成核技術可有效改善 β-Ga₂O₃ 薄膜的晶體質量，同時顯著提升基于該材料的紫外光探測器性能。

總結

該研究提出了一種在藍寶石襯底上通過 N 離子注入誘導成核的方法，以改善 β-Ga₂O₃ 薄膜的晶體質量。由于在 N 離子注入藍寶石襯底上生長的 β-Ga₂O₃ 薄膜晶粒尺寸增大，β-Ga₂O₃ 薄膜的晶體質量得到了顯著改善。在氮離子劑量為 10¹² cm^-2 的氮離子注入藍寶石上生長的 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，基于晶體質量得到改善的 β-Ga₂O₃ 薄膜的 β-Ga₂O₃ 紫外光探測器實現了 288 A/W 的高響應率。

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寶石襯底上的β-Ga₂O₃ 薄膜的 HRXRD 圖樣。(c) 用 W-H 方法計算的晶粒尺寸。

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

本文轉載自《亞洲氧化鎵聯盟》公眾號