类型a

主要作者与机构及发表信息
该研究由陈威、焦腾、李赜明、刁肇悌、李政达、党新明、陈佩然和董鑫（通信作者）共同完成，作者均来自吉林大学电子科学与工程学院集成光电子学国家重点联合实验室。研究于2022年6月发表在《半导体光电》（Semiconductor Optoelectronics）第43卷第3期。

学术背景
宽禁带半导体材料技术近年来发展迅速，其中氧化镓（Ga₂O₃）因其超宽带隙（4.5~4.9 eV）和高品质因子等特性，在高功率电子器件领域受到广泛关注。β相氧化镓（β-Ga₂O₃）是Ga₂O₃中最稳定的晶相，具有独特的日盲紫外（Solar-Blind Ultraviolet, SBUV）探测优势。然而，目前基于β-Ga₂O₃的平面薄膜光电探测器存在光子捕获效率低的问题，限制了其光响应度的提升。相比之下，具有三维立体结构的纳米点阵薄膜因比表面积高、光学共振强等特点，展现出更高的陷光能力，从而有望显著提高光电探测器性能。但传统制备纳米结构薄膜的方法通常涉及金属催化剂或复杂刻蚀工艺，这些方法可能引入深能级缺陷或晶格损伤，影响器件性能。因此，开发一种简单且高效的制备方法成为研究热点。

本研究旨在通过热氧化与金属有机化学气相沉积（Metal-Organic Chemical Vapor Deposition, MOCVD）相结合的方法，在砷化镓（GaAs）衬底上制备β-Ga₂O₃纳米点阵薄膜，并对其形貌、晶体质量及光学特性进行系统表征，验证其在SBUV探测中的潜在应用价值。

详细实验流程
本研究包括以下步骤：

1. 样品制备

   • 使用本征GaAs作为衬底，晶面为（100）。将GaAs衬底依次在丙酮、乙醇和去离子水中超声清洗5分钟后用氮气吹干，以去除表面污染物。
     
   • 将清洁后的样品置于管式退火炉中进行热氧化处理。热氧化温度为800℃，使用高纯氮气（5N）作为载气，高纯氧气（5N）作为反应气体，压强保持在9.99918×10⁴ Pa，持续30分钟。在此过程中，GaAs衬底表面发生热分解，释放出As元素，剩余的Ga与氧气反应生成颗粒状Ga₂O₃种子层。
     
   • 在此基础上，采用高温MOCVD工艺生长β-Ga₂O₃纳米点阵薄膜。以三甲基镓（TMGa）和高纯氧气（5N）作为金属源和氧源，高纯氩气（6N）作为TMGa的载气。MOCVD生长条件包括不同的生长温度（700℃和750℃）和VI/III比（22.3×10³ 和 66.9×10³），以探究其对薄膜性质的影响。

2. 表征与测试

   • 使用场发射扫描电子显微镜（SEM, JSM-7610, JEOL）观察纳米点阵的表面和截面特征。
     
   • 利用X射线衍射仪（XRD, SmartLabSE, Rigaku）分析薄膜的晶体特性。
     
   • 采用共聚焦拉曼光谱仪（Raman, LabRAM HR Evolution, Horiba）在532 nm激光激发下测试样品的拉曼散射特性。
     
   • 使用自搭建的测试平台测量薄膜的光致发光（Photoluminescence, PL）特性，激发光源为波长235 nm的YAG激光器，信号由光谱仪（iHR550, Horiba）检测。
     
   • 基于有限元法（Finite Element Method, FEM）使用COMSOL Multiphysics软件对纳米点阵薄膜的光学特性进行仿真，入射光波长设为254 nm。

主要结果
1. SEM分析
热氧化后，样品表面形成了一层致密的颗粒状Ga₂O₃薄膜，为后续纳米点阵生长提供了有效点位。MOCVD生长后，样品表面形成了柱状结构的β-Ga₂O₃纳米点阵薄膜。随着生长温度从750℃降至700℃，纳米柱顶部轮廓从类五边形变为圆滑状，侧壁变得粗糙，表明温度降低导致反应源迁移长度减少，晶体质量下降。此外，VI/III比的提高使纳米结构直径减小，这与Ga源流量减少导致生长速度减慢有关。

1. XRD分析
   XRD图谱显示，所有样品均未出现GaAs的衍射峰，可能与纳米点阵薄膜的高陷光特性有关。样品均为以（400）晶面优先取向的多晶态β-Ga₂O₃，且750℃生长的样品晶体质量最高。

2. Raman分析
   Raman光谱显示，样品中存在β-Ga₂O₃的Ag(3)特征峰（200 cm⁻¹）以及As单质的Ag₂特征峰（256 cm⁻¹）。未发现属于GaAs衬底的特征峰，进一步证明了纳米点阵薄膜的高陷光特性。

3. PL分析
   PL光谱显示，经过MOCVD生长的样品中均观测到两个发光峰：360 nm处的紫外发光和410 nm处的蓝光发光。随着晶体质量优化，发光峰强度提高，表明非辐射复合减弱。

4. 光学特性仿真
   仿真结果显示，对于垂直入射光（254 nm波长），β-Ga₂O₃平面薄膜的反射率为0.15，而纳米点阵薄膜的反射率仅为0.05。此外，纳米点阵薄膜中产生了明显的光学共振效应，证明其具有良好的陷光效果。

结论与意义
本研究通过热氧化与MOCVD相结合的方法，在GaAs衬底上成功制备了β-Ga₂O₃纳米点阵薄膜。SEM分析表明，薄膜呈现五方柱状结构，不同生长条件对形貌有显著影响。XRD和Raman测试证实薄膜为以（400）晶面优先取向的多晶态β-Ga₂O₃，且可能含有As杂质。PL测试显示，发光峰强度随晶体质量优化而提高。光学仿真进一步验证了纳米点阵薄膜的高陷光特性。

该研究的意义在于提供了一种无需金属催化剂和复杂刻蚀工艺的高效制备方法，制备的纳米点阵薄膜具有高比表面积和高陷光效果，可显著提升SBUV光电探测器的性能。此外，该方法工艺简单，易于控制，为未来宽禁带半导体材料的研究与应用提供了新思路。

研究亮点
1. 提出了一种结合热氧化与MOCVD的新型制备方法，避免了金属催化剂和复杂刻蚀工艺的使用。
2. 成功制备了具有五方柱状结构的β-Ga₂O₃纳米点阵薄膜，展示了其高比表面积和高陷光特性。
3. 系统研究了生长温度和VI/III比对薄膜形貌和晶体质量的影响，优化了制备工艺参数。
4. 光学仿真揭示了纳米点阵薄膜的光学共振效应，为其在SBUV探测中的应用提供了理论支持。

其他有价值内容
本研究还指出了当前方法的改进空间，例如在MOCVD生长过程中对几何结构的精确控制、晶体质量的进一步优化以及As杂质的去除等问题，这些方向值得未来深入探索。