等离子体增强原子层沉积技术实现非晶GaOx薄膜的硅掺杂及其在介电与光电器件中的应用研究

《IEEE Journal of the Electron Devices Society》：Si Doping in Amorphous GaOx Films via Plasma-Enhanced ALD for Dielectric and Optoelectronic Applications

本刊编辑推荐：为优化Ga2O3薄膜性能并拓展其在介电与光电子领域的应用，研究人员通过等离子体增强原子层沉积（PEALD）技术制备了系列硅掺杂非晶GaOx（Si-GaOx）薄膜。通过调控亚循环比例实现硅浓度梯度变化，发现亚循环比为1:9的样品具有最低氧空位浓度（~2.74%），在金属-绝缘体-半导体（MIS）结构中展现最高击穿电压（>40 V）和10.6的介电常数，同时其光电二极管在200 nm紫外光下获得160 μA/W的响应度。该研究为新型宽禁带半导体器件的精准掺杂提供了技术范式。

　　

作为新一代宽禁带半导体的代表，Ga₂O₃因其4.8 eV的禁带宽度在功率电子、介电材料和光电器件领域展现出巨大潜力。然而，本征Ga₂O₃的绝缘特性限制了其导电性能，而传统掺杂技术难以实现原子级精度的浓度控制。非晶GaOx薄膜虽具有低温制备优势，但氧空位（V_O）缺陷会导致器件漏电流增加和可靠性下降。如何通过精准掺杂平衡材料介电与光电性能，成为推动其应用的关键科学问题。

针对这一挑战，复旦大学郝跃院士团队采用等离子体增强原子层沉积（PEALD）技术，通过超循环（supercycle）结构精确控制三甲基镓（TMGa）与二异丙基氨基硅烷（DIPAS）前驱体的亚循环比例（M:N），在200°C低温下于p型硅衬底上制备了五种硅掺杂梯度变化的非晶Si-GaOx薄膜（Sample 1-5）。研究通过光谱椭偏仪（SE）确认薄膜厚度为10.3-16.3 nm，X射线光电子能谱（XPS）分析揭示硅掺杂浓度与亚循环比呈正相关，且Sample 3（M:N=9:1）的氧空位浓度最低（2.74%）。基于薄膜构建的MIS结构和光电二极管表明，最优掺杂样品在介电特性与紫外探测性能方面实现突破性平衡。该成果发表于《IEEE Journal of the Electron Devices Society》，为宽禁带半导体的功能化设计提供了新思路。

关键技术方法包括：采用PEALD系统通过超循环调控实现硅浓度梯度掺杂；利用XPS对O 1s峰进行分峰拟合量化V_O和Si-O键浓度；通过紫外-可见吸收光谱（UV-Vis）的Tauc图计算禁带宽度；基于MIS结构进行电容-电压（C-V）和击穿特性测试；搭建光电测试系统测量二极管在200 nm紫外光下的脉冲响应。

薄膜表征与分析

原子力显微镜（AFM）显示所有样品表面粗糙度（R_a）低于0.61 nm，证明PEALD工艺具有良好的成膜平整性。X射线反射（XRR）测试表明薄膜密度随硅掺杂增加从5.3 g/cm3逐渐下降，与SiO₂的低密度特性相符。

化学成分与能带结构

XPS分析显示O 1s峰位从Sample 1的Ga-O键（530.1 eV）向Sample 5的Si-O键（531 eV）偏移，证实硅成功掺入晶格。通过分峰拟合发现Sample 3的V_O浓度最低，为其优异电学性能奠定基础。

价带谱分析表明硅掺杂使价带顶（VBM）从2 eV升至3.5 eV，禁带宽度（E_g）从4.59 eV（Sample 1）扩宽至5.29 eV（Sample 5），实现能带工程调控。

光学特性

光谱椭偏仪测试显示薄膜在200-300 nm紫外区具有强吸收特性，可见光区透射率近100%。Tauc图计算证实所有样品为直接带隙半导体，满足紫外探测器应用需求。

器件性能表征

MIS结构测试表明Sample 3具有最高击穿电压（>40 V）和最优介电性能（k=10.6，tanδ=0.062）。光电二极管在200 nm紫外光照射下，Sample 3的响应度达160 μA/W，为未掺杂样品的10倍。

本研究通过PEALD技术实现非晶Si-GaOx薄膜的原子级精准掺杂，阐明硅浓度与氧空位缺陷的关联规律。Sample 3（亚循环比1:9）凭借最低V_O浓度和最优能带排列，同时实现高介电常数与紫外响应度的协同提升。该工作为宽禁带半导体的多功能集成提供了新材料平台，推动Ga₂O₃在低功耗光电探测器和功率电子器件中的应用进程。