內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)：通過(guò)LPCVD與PECVD協(xié)同工藝制備β-Ga?O?薄膜，用于高靈敏、低劑量直接X(jué)射線探測(cè)

由內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)在學(xué)術(shù)期刊 Nanomaterials 發(fā)布了一篇名為 Synergistic LPCVD and PECVD Growth of β-Ga₂O₃ Thin Films for High-Sensitivity and Low-Dose Direct X-Ray Detection（通過(guò)LPCVD與PECVD協(xié)同工藝制備 β-Ga₂O₃ 薄膜，用于高靈敏、低劑量直接X(jué)射線探測(cè)）的文章。

一、 項(xiàng)目支持

本研究獲得中國(guó)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào) S202410128015，內(nèi)蒙古自治區(qū)級(jí)）；國(guó)家自然科學(xué)基金（項(xiàng)目編號(hào) 12264035、11864029、62264013 和 62364014）；內(nèi)蒙古自治區(qū)自然科學(xué)基金（項(xiàng)目編號(hào) 2024LHMS01013）；內(nèi)蒙古自治區(qū)高校青年科技英才支持計(jì)劃（項(xiàng)目編號(hào) NJYT24065）項(xiàng)目的資助。

二、 背景

近年來(lái)，寬禁帶半導(dǎo)體氧化鎵（Ga₂O₃）因其高密度、優(yōu)異的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性、顯著的抗輻照能力以及固有的剛性結(jié)構(gòu)，而成為探索高性能 X 射線探測(cè)器的一種新材料選擇。此外，Ga₂O₃ 的 X 射線吸收系數(shù)遠(yuǎn)高于金剛石，可與硅和鈣鈦礦材料相媲美，并且對(duì)可見光干擾不敏感，這使其在 X 射線探測(cè)領(lǐng)域具有顯著優(yōu)勢(shì)。早期關(guān)于非故意摻雜（UID）β- Ga₂O₃ 單晶的研究已經(jīng)驗(yàn)證了其在 X 射線探測(cè)中的器件可行性，但由于存在大量氧空位（V_O），其時(shí)間響應(yīng)較慢。通過(guò) Fe 摻雜可以補(bǔ)償施主型缺陷，從而提高電阻率并加快響應(yīng)速度；Mg 摻雜 β-Ga₂O₃ 單晶則在提升電阻率、抑制 V_O 的同時(shí)，使其靈敏度達(dá)到非晶硒（a-Se）的 16 倍；Al 合金化擴(kuò)大了 β-Ga₂O₃ 單晶的帶隙，降低了本征載流子濃度，從而實(shí)現(xiàn)高靈敏度。因此，故意摻雜（如 Fe、Mg、Al）能夠通過(guò)缺陷抑制與電阻率/能帶調(diào)控的協(xié)同作用，有效提升性能。盡管基于 Ga₂O₃ 單晶的 X 射線探測(cè)器已經(jīng)取得了重要進(jìn)展，但由于大尺寸高質(zhì)量單晶的生長(zhǎng)困難，以及缺乏有效的 P 型摻雜，其在功能模塊集成和大規(guī)模應(yīng)用方面仍面臨一定挑戰(zhàn)。

三、 主要內(nèi)容

超寬禁帶 β-Ga₂O₃ 被認(rèn)為是一種有前景的低成本替代材料，可用于取代傳統(tǒng)直接 X 射線探測(cè)材料，這些傳統(tǒng)材料常受制于制備復(fù)雜、不穩(wěn)定或響應(yīng)遲緩等問(wèn)題。本文對(duì)比研究了采用低壓化學(xué)氣相沉積（LPCVD）和等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積（PECVD）在 c-藍(lán)寶石襯底上外延的 β-Ga₂O₃薄膜，建立了生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)、微結(jié)構(gòu)、缺陷分布與 X 射線探測(cè)性能之間的定量聯(lián)系。LPCVD 薄膜（厚度約 0.289 μm）表現(xiàn)為層狀并合晶粒、更窄的搖擺曲線（FWHM = 1.840°），以及由深能級(jí)氧空位輔助的高光電導(dǎo)增益，在 20 V 下實(shí)現(xiàn)了 1.02 × 10⁵ μC Gy_air⁻¹ cm⁻² 的高靈敏度，以及 3.539 × 10⁵ μC Gy_air⁻¹ cm⁻² μm⁻¹ 的厚度歸一化靈敏度。相比之下，PECVD 薄膜（厚度約 1.57 μm）呈現(xiàn)致密柱狀生長(zhǎng)、更接近化學(xué)計(jì)量比的 O/Ga 比值，以及淺陷阱占主導(dǎo)，帶來(lái)更低的暗電流、更優(yōu)的劑量探測(cè)下限（30.13 vs. 57.07 nGy_air s⁻¹）、更快的恢復(fù)速度，以及信噪比隨偏壓?jiǎn)握{(diào)提升的穩(wěn)定特性。XPS 和雙指數(shù)瞬態(tài)分析結(jié)果進(jìn)一步證實(shí)，LPCVD 薄膜表現(xiàn)為深陷阱主導(dǎo)的持續(xù)光電導(dǎo)效應(yīng)，而 PECVD 薄膜則由淺陷阱效應(yīng)調(diào)控。由此形成了高增益與低噪聲的互補(bǔ)范式，闡明了缺陷與增益之間的權(quán)衡關(guān)系，并提出通過(guò)陷阱與電場(chǎng)管理來(lái)同時(shí)實(shí)現(xiàn)高靈敏度、低劑量極限和時(shí)間穩(wěn)定性的 β-Ga₂O₃ 薄膜 X 射線探測(cè)器設(shè)計(jì)路徑。

四、 結(jié)論

本文采用 LPCVD 和 PECVD 技術(shù)在 c 面藍(lán)寶石襯底上外延生長(zhǎng)了 β-Ga₂O₃ 薄膜，并制備了 MSM 型 X 射線探測(cè)器。研究表明，LPCVD 生長(zhǎng)的薄膜較?。?89 nm），其較慢的表面動(dòng)力學(xué)過(guò)程有利于橫向晶粒并合并減小馬賽克傾斜（表現(xiàn)為更窄的搖擺曲線）；而 PECVD 的等離子體激活則促進(jìn)了快速的多點(diǎn)成核和縱向柱狀生長(zhǎng)，雖增加了傾斜分布，但提升了厚度可擴(kuò)展性和薄膜致密性。

圖 1.（a）β-Ga₂O₃ 薄膜生長(zhǎng)的實(shí)驗(yàn)裝置，（b）其示意圖，以及（c）制備的 MSM 型探測(cè)器的物理圖像。

圖 2. SEM 表面形貌 (a) LPCVD 橫截面，(b) PECVD 橫截面。

圖 3.（a）LPCVD 和 PECVD 生長(zhǎng)的 β-Ga₂O₃ 薄膜的透射率光譜和計(jì)算的光學(xué)帶隙。（b）通過(guò) LPCVD 和 PECVD 生長(zhǎng)的薄膜的光致發(fā)光激發(fā)光譜。（c）X 射線衍射光譜。（d）β-Ga₂O₃ 薄膜（−201）晶面的搖擺曲線。

圖 4. β-Ga₂O₃ 薄膜的 XPS 光譜。（a）LPCVD 生長(zhǎng)的 β-Ga₂O₃ 薄膜的 O 1s 核心級(jí)光譜。（b）PECVD 生長(zhǎng)的 β-Ga₂O₃ 薄膜的 O 1s 核心級(jí)光譜。（c）Ga 3d 核心級(jí)光譜的比較

圖 5. 檢測(cè)器在不同管電流下 X 射線照射下的 I-V 特性曲線：（a）LPCVD;（b） PECVD;（c）探測(cè)器在暗狀態(tài)下和室溫下 X 射線照射下的對(duì)數(shù) I-V 特性;（d）由 LPCVD 和 PECVD 在 20 V 偏置下制造的 β-Ga₂O₃ MSM X 射線探測(cè)器的劑量率依賴性光電流。

DOI：

doi.org/10.3390/nano15171360

本文轉(zhuǎn)發(fā)自《亞洲氧化鎵聯(lián)盟》訂閱號(hào)