辽宁师范大学，物理与电子技术学院，辽宁 大连

收稿日期：2023年2月24日；录用日期：2023年3月20日；发布日期：2023年3月27日

摘要

本文利用双靶射频磁控溅射技术，在不同实验条件下，开展了本征β-Ga₂O₃和Cu、Sn掺杂的沟道型β-Ga₂O₃半导体薄膜光电器件的制备及特性研究工作。分析了掺杂前后制备的二维β-Ga₂O₃薄膜的微结构、表面形貌及化学成份。比较了不同条件下制备器件的电导率、IV特性及光电特性。研究发现，Cu、Sn掺杂后，β-Ga₂O₃半导体薄膜光电器件的电导率、IV特性和光电特性都有一定的改善，而Sn掺杂的Sn/β-Ga₂O₃薄膜的电导率增加幅度最大。其中，Sn/β-Ga₂O₃器件呈现了最佳IV特性，说明Sn掺杂比Cu掺杂的效果更好。同时，掺杂并进行退火处理更可使薄膜的电导率呈现数量级的提升。制备的不同二维沟道型器件都具有明显的场效应器件特征，可用外加底栅电压V_GS调控器件的源漏电流I_GS。在254 nm的紫外光源辐照下，所有器件都出现了明显的光电流。但掺杂后器件的光电流明显高于本征器件的光电流，Sn掺杂Sn/β-Ga₂O₃器件的光电流最大，响应时间最短，光电流与暗电流之比可达112，器件具有更好的稳定性和可逆性。

关键词

β-Ga₂O₃，掺杂，半导体器件，光电特性

Preparation and Characterization of Channeled β-Ga₂O₃ Semiconductor Thin Film Optoelectronic Devices Doped with Cu and Sn Elements

Chang Liu, Jun Liu^*, Yuan Liu, Xinyue Hu, Wang Li, Jie Liu, Mengke Li^*

School of Physics and Electronic Technology, Liaoning Normal University, Dalian Liaoning

Received: Feb. 24^th, 2023; accepted: Mar. 20^th, 2023; published: Mar. 27^th, 2023

ABSTRACT

In this work, the channeled intrinsic, Cu- and Sn-doped β-Ga₂O₃ semiconductor thin film optoelectronic devices were fabricated under different experimental conditions by double target RF magnetron sputtering technology. The characteristics of the prepared β-Ga₂O₃ thin films and optoelectronic devices before and after doping were systematically investigated, including the microstructure, surface morphology, chemical composition of the 2D β-Ga₂O₃ thin films as well as the photo-electric properties of the devices. It was found that the performances of the Cu- and Sn-doped channeled β-Ga₂O₃ optoelectronic devices were significantly improved, such as the conductivity, IV and photoelectric characteristic. Especially, the conductivity of Sn-doped β-Ga₂O₃ thin films showed the largest increase and exhibited a typical IV characteristic, which indicates that the properties of β-Ga₂O₃ films can be improved by Sn-doping compared to Cu doping. Moreover, doping and annealing methods can increase the conductivity of the β-Ga₂O₃ thin films by orders of magnitude. The results showed that the different two-dimensional channeled optoelectronic devices have an obvious field effect device characteristic, and the I_GS of the optoelectronic devices can be controlled by the back gate voltage. All of the as-prepared devices have a good response to the ultraviolet (UV) light under 254 nm UV irradiation. However, the photocurrent of the Cu- and Sn-doped devices is much higher than that of the un-doped device. Additionally, Sn-doped β-Ga₂O₃ optoelectronic device demonstrated a higher photocurrent with a fast response time, and the ratio of photocurrent to dark current can be up to 112, which has the advantage of better stability and reversibility.

Keywords:β-Ga₂O₃, Doped, Semiconductor Devices, Optoelectronic Characterization

Copyright © 2023 by author(s) and Hans Publishers Inc.

This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY 4.0).

http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/

1. 引言

相对于SiC和GaN等第三代半导体材料，β-Ga₂O₃具有更大的带隙(4.5~5.2 eV)，更高的临界场强(6~8 MV/cm)，更高的热稳定性和灵敏度等特点，使其成为新型大功率半导体器件、“日盲型”紫外探测器、太阳能电池和光电传感器等方面的新型候选材料，近年来，β-Ga₂O₃的制备及应用技术得到了世界各地研究者的广泛关注 [1] [2] [3]。但由于禁带较宽，本征β-Ga₂O₃的电导率不高，要将其应用于“日盲型”紫外光电探测器和其它短波长光电器件，就必须制备出电导率及光电特性满足应用要求的β-Ga₂O₃材料和器件。依据传统Si半导体制造工艺，掺杂改性是提高β-Ga₂O₃电导率并达到器件性能应用要求的有效途径。近来，人们发现，在不改变β-Ga₂O₃半导体晶格结构的情况下，通过掺杂，可显著提升其电导率 [4] [5]。虽然，世界上已有不少研究组都开展了一系列研究工作，得到了不少研究结果，但目前，在β-Ga₂O₃半导体材料掺杂及器件制备方面仍存在不少问题。如：如何选择最佳掺杂元素，采用何种掺杂工艺，如何精确控制掺杂比例等。因此，深入开展β-Ga₂O₃半导体材料的制备、掺杂工艺及器件制备等方面的研究就有重要的理论和应用价值 [6]。

针对目前β-Ga₂O₃半导体二维薄膜材料及光电器件研究中存在的问题，本文采用双靶射频磁控溅射技术，在不同实验参数下，开展了沟道型Cu、Sn掺杂的二维薄膜Cu/β-Ga₂O₃和Sn/β-Ga₂O₃半导体器件的制备及光电特性研究工作，研究了β-Ga₂O₃半导体的掺杂及器件制备工艺，并与本征β-Ga₂O₃器件进行了对比分析。研究结果可对未来β-Ga₂O₃半导体薄膜光电器件的掺杂工艺与器件制备提供理论及实验参考。

2. 器件制备与测试分析

2.1. 沟道型本征β-Ga₂O₃二维薄膜光电器件的制备

图1. (a) 沟道型本征β-Ga₂O₃半导体薄膜光电器件结构示意图；(b) 器件光电特性测试电路示意图；(c) 光电特性探针台测试系统照片(内插图为测试器件图片)

1) 为了对比分析掺杂前后β-Ga₂O₃二维薄膜半导体光电器件的光电特性，分别制备了本征β-Ga₂O₃和Cu、Sn掺杂的Cu/β-Ga₂O₃和Sn/β-Ga₂O₃薄膜及光电器件。其中，本征β-Ga₂O₃器件的制备过程如下：

2) Si片的清洗：首先将n型Si片(111)裁为2.5 cm × 2.5 cm的正方形，随后，将其分别用丙酮(分析纯)、酒精(分析纯)及去离子水超声清洗15 min，后用干燥的N₂气吹干。

3) 热氧化：将清洗好的Si片放入高温管式炉石英管的中心，通入流量为30 ml/min的O₂气(纯度：99.999%)。在温度为1000℃的条件下，热氧化1 h，使Si片表面形成一层约200 nm左右的SiO₂绝缘膜。

4) 本征β-Ga₂O₃半导体薄膜光电器件的制备：采用单靶射频(RF)磁控溅射工艺。以高纯β-Ga₂O₃ (纯度：99.999%)为靶材，将不同沟道宽度的不锈钢掩膜板紧贴在Si/SiO₂衬底上，不锈钢掩膜板形状如图1c内插图所示。在不同掩膜沟道宽度、不同溅射功率，不同退火温度条件下，在热氧化的Si/SiO₂为衬底，制备了三组不同参数的本征β-Ga₂O₃半导体薄膜光电器件。图1a给出了热氧化后的Si/SiO₂衬底上制备的光电器件的结构图。表1给出了不同器件的制备参数。

表1. 沟道型本征β-Ga₂O₃半导体薄膜光电器件的制备参数

2.2. Cu、Sn掺杂的Cu/β-Ga₂O₃和Sn/β-Ga₂O₃光电器件的制备

5) 采用双靶溅射工艺。交流靶材为高纯β-Ga₂O₃，直流溅射靶材分别采用高纯Cu (纯度：99.999%)和Sn (纯度：99.999%)靶材，进行双靶溅射共沉积。分别制备了Cu、Sn掺杂的Cu/β-Ga₂O₃和Sn/β-Ga₂O₃二维薄膜器件。实验中，先将热氧化后的Si/SiO₂的基片固定在双靶磁控溅射镀膜机的基片架上，并将不锈钢沟道掩膜板紧密覆盖在Si/SiO₂衬底上。抽到背景真空度后，通入流量为20 ml/min的高纯Ar气，并打开挡板，对靶材和基片进行5 min的预溅射。随后，在RF溅射沉积β-Ga₂O₃的同时，分别直流溅射Cu靶、Sn靶进行掺杂。通过调节直流溅射放电电流的大小，就可改变掺杂量。在不同交流(AC)溅射功率、不同掩膜沟道宽度、不同直流靶放电电流、不同退火温度条件下，分别制备了四组不同参数的Cu、Sn掺杂的光电器件。制备参数如表2、表3所示。

6) 为了获得质量和性能更好的沟道型光电器件，对不同条件下制备的器件用高温管式电阻炉进行了退火处理。退火中，通入流量为50 ml/min的高纯Ar气，退火温度分别为550℃，650℃和750℃。退火时间1 h。

表2. Cu掺杂的沟道型Cu/β-Ga₂O₃薄膜光电器件的制备参数

表3. Sn掺杂的沟道型Sn/β-Ga₂O₃二维薄膜光电器件的制备参数

2.3. 器件的光电特性测试分析

1) 在光学显微镜辅助下，在制备好的器件二维沟道的两侧，分别点涂银胶电极，并引出测量铜线，作为器件的源极(Source)和漏极(Drain)。随后，用5% (V/V)的氢氟酸，去掉器件基片背面底部的SiO₂膜层，点涂银胶并引出铜线，作为器件栅极(Gate)。器件光电特性测量图如图1b所示，真实器件如图1c内插图所示。

2) 用XRD分析仪(XRD，Empyrean，荷兰帕纳科)测试了样品的成份及晶体结构；用扫描电镜(SEM，JSM 6360LV，日本电子)及附带的EDS系统分析了样品的表面形貌及元素成份。用半导体特性测试仪(4200SC，美国吉时利公司)和附带的探针台(PW-600，台湾仪准)，在波长为254 nm，光功率为550 μW/cm²的紫外光源照射下，对器件的电导率、IV特性及光电特性进行了测试分析。光电特性探针台测试系统如图1c所示。

3. 结果与讨论

3.1. β-Ga₂O₃、Cu/β-Ga₂O₃及Sn/β-Ga₂O₃薄膜样品的XRD谱图

图2a为不同溅射功率条件下制备的本征β-Ga₂O₃半导体薄膜的XRD谱图。经与标准卡片(PDF#45-0946)对比，除了28˚附近的单晶Si的(111)晶面衍射峰外，其余衍射峰都与β-Ga₂O₃有关，谱图中已对衍射峰晶面进行了标注。其中，位于24.64和58.93˚处的谱峰分别对应β-Ga₂O₃的(400)和(603)晶面。对比图2a中不同溅射功率下的衍射谱图，可看出，在80 W溅射功率下制备的样品，只显现了(400)和(603)晶面的衍射峰，且衍射峰相对强度较弱。说明此时制备的薄膜的结晶质量较差。而随着溅射功率的增大，其(400)及(603)晶面衍射峰强度逐渐增强，在120 W功率下，样品的(400)及(603)及其它晶面的衍射峰逐渐清晰，且其衍射峰强度最大。此时，不仅观察到了(400)和(600)晶面的衍射峰，还观察到了38.13˚处的(402)、58.84˚处的(603)及64.48˚处的(403)晶面的衍射峰。我们认为，随着溅射功率的提高，单位面积内，膜层沉积的团簇粒子的产额和能量也随之提高，团簇粒子有足够的能量在膜层表面进行弛豫及扩散，最后找到能量最低位置，并与相邻原子结合成键，薄膜更趋向于单晶生长。不同谱峰强度的差异也说明，在β-Ga₂O₃二维半导体薄膜沉积生长中，存在一定的晶面择优取向生长趋势。在120 W条件下，薄膜沉积生长的团簇粒子具有更高的能量进行弛豫，因此，薄膜就具有最好的结晶生长质量。

考虑到半导体平面工艺应用要求，我们还对不同溅射功率条件下制备的β-Ga₂O₃薄膜进行了550℃、650℃和750℃的退火处理。实验发现，随着退火温度的提高，薄膜样品的(400)及(603)等晶面的特征衍射峰也逐渐增强。而经过750℃退火处理的样品，除Si基底的衍射峰之外，XRD谱图中观察到的(400)、(603)和(402)晶面的衍射峰强度更强、更尖锐，说明退火处理可提高β-Ga₂O₃薄膜的结晶度，改善薄膜质量。因样品数量较多，其它退火样品的谱图与图2a类似，这里不在赘述。因此，我们对比筛选后，选择了750℃作为薄膜的最佳退火温度。

利用表2和表3的参数，图2b和图2c分别给出了沉积时间30 min，RF溅射功率为120 W，直流溅射电流分别为50、100和150 mA的条件下，制备的Cu、Sn掺杂的沟道型Cu/β-Ga₂O₃和Sn/β-Ga₂O₃器件的XRD谱图。可看出，除了Si的衍射峰外，样品都有两个较明显的衍射峰，分别对应β-Ga₂O₃单晶的(400)和(603)晶面。其中(400)晶面衍射峰强度较强。说明，采用双靶磁控溅射工艺进行掺杂后，当直流溅射电流较小时，因掺杂元素的溅射产额不大，只有少量的Cu、Sn原子进入β-Ga₂O₃晶格，Cu、Sn掺杂并未影响β-Ga₂O₃的晶格结构。因此，掺杂制备的Cu/β-Ga₂O₃和Sn/β-Ga₂O₃薄膜均为晶格结构与本征β-Ga₂O₃单晶一致的单晶薄膜。对比还发现，掺杂后，衍射峰强度都有一定程度的增强。我们认为，少量Cu、Sn元素的掺入，主要以替位原子为主，有利于薄膜的结晶度的提升 [6]。对比还发现，随着直流溅射电流的增加，掺杂后的Cu/β-Ga₂O₃和Sn/β-Ga₂O₃薄膜的主衍射峰出现了向低衍射角度左移的现象。分析认为，掺杂中，Cu、Sn元素主要以替位形式进入β-Ga₂O₃晶格中 [4] [6]，因Cu、Sn掺杂离子半径与原有的Ga离子不同，导致薄膜出现晶格畸变，产生了一定的应变力，最终使(400)晶面的衍射峰出现了向低衍射角度的左移。比较发现，随着直流溅射电流的增大，Cu、Sn离子替代Ga离子的掺杂量也随之增大，(400)晶面衍射峰向小角度偏移的量也越大 [7]，这也间接证明了衍射峰向小角度移动是掺杂导致的晶格畸变引起的。

图2. 不同掺杂条件下制备的β-Ga₂O₃二维薄膜样品的XRD谱图；(a) 本征β-Ga₂O薄膜；(b) Cu掺杂Cu/β-Ga₂O₃薄膜；(c) Sn掺杂Sn/β-Ga₂O₃薄膜

3.2. 掺杂前后制备的β-Ga₂O₃薄膜的SEM及EDS分析

图3a~c为在相同沉积时间、溅射功率及掺杂直流溅射电流条件下，不同薄膜样品的SEM图片。可看到，掺杂前后，制备的本征β-Ga₂O₃及Cu/β-Ga₂O₃、Sn/β-Ga₂O₃薄膜表面光滑，缺陷很少，晶体颗粒尺度大小均匀。其中，本征β-Ga₂O₃的薄膜样品晶粒尺度约为5~10 nm，膜层连续性较好，表面平整光滑。而Cu/β-Ga₂O₃和Sn/β-Ga₂O₃掺杂薄膜样品，膜层致密，表面也鲜有团聚、起皱和各种生长缺陷。但对其表面SEM照片进一步放大观察后，发现晶粒生长尺寸有所增加，约为10~15 nm。这是因为，掺杂主要以替位形式存在于晶格中，将会产生一定的晶格畸变并产生应力，最终导致晶粒尺寸有所增加，但掺杂并没有改变β-Ga₂O₃薄膜的晶体结构。

图3c的内插图给出了对图3c样品进行750℃退火后，薄膜表面的SEM图片。可看出，退火后，Sn掺杂薄膜样品表面致密平整，仍具有较好的连续性，表面也没有出现因退火导致的膜层收缩褶皱和开裂等缺陷。但退火后，膜层晶粒尺寸明显长大，从原来的10~15 nm长大到30~45 nm，粗糙度有所提高。因退火处理会导致膜层颗粒间进行弛豫、融合，小尺寸晶粒会不断长大，最终就使膜层晶粒尺寸长大，粗糙度有所提高。

图4a~c给出了RF溅射功率为120 W、沉积时间为30 min条件下制备的本征β-Ga₂O₃薄膜样品的EDS能谱。从图4a可看出，本征的β-Ga₂O₃薄膜EDS能谱中的最高峰对应的是Si衬底的谱峰，此外，谱图中还出现了Ga和O元素的谱峰。测试发现，在所有制备参数下，本征β-Ga₂O₃样品中的Ga和O元素的摩尔百分含量平均为38.01%和61.99%，此数值与本征β-Ga₂O₃材料的元素摩尔比2:3基本一致。这说明，采用磁控溅射技术制备得到的薄膜样品确为本征β-Ga₂O₃。

图4b为RF溅射功率为120 W、沉积时间为30 min，直流溅射电流为50 mA条件下制备的Cu/β-Ga₂O₃薄膜的典型EDS能谱图。可看到，除了Si峰外，还有三个明显的谱峰，分别对应Ga、O和Cu元素，分析发现，膜层中Cu的摩尔比约为3.41 mol.%，表明制备的样品确实为Cu掺杂的Cu/β-Ga₂O₃半导体薄膜。对比发现，Cu掺杂后，膜层中Ga的百分比有所降低，表明Cu替位取代了Ga元素。在直流溅射电流大小分别为50、100和150 mA条件下，Cu掺杂的平均含量分别为2.41、3.84和5.31 mol.%。这说明，可通过调节直流溅射电流大小，改变Cu元素的掺杂比例，但直流溅射电流大小也不宜过大。

图3. 不同β-Ga₂O₃薄膜样品的断面SEM照片；(a) 本征β-Ga₂O薄膜；(b) Cu掺杂Cu/β-Ga₂O₃薄膜；(c) Sn掺杂Sn/β-Ga₂O₃薄膜(内插图为进行750℃的退火处理后的表面SEM图片)

图4. 不同掺杂条件下制备的β-Ga₂O₃薄膜样品的EDS能谱图；(a) 本征β-Ga₂O₃薄膜；(b) Cu掺杂Cu/β-Ga₂O₃薄膜；(c) Sn掺杂Sn/β-Ga₂O₃薄膜

图4c为交流溅射功率为120 W、沉积时间为30 min，直流溅射电流为50 mA条件下制备的Sn掺杂的Sn/β-Ga₂O₃薄膜的典型EDS能谱图。对比发现，随着直流溅射电流大小的增大，Sn掺杂含量也逐渐增大。在直流溅射电流大小分别为50、100和150 mA条件下，Sn掺杂的平均含量分别为3.21、4.32和6.25 mol.%。因为Sn靶的溅射产额略高于Cu靶。因此，在相同条件下，Sn原子的平均含量就比Cu的略高。分析还发现，在直流溅射电流大小为50 mA条件下，薄膜中的Ga、Sn元素之和与O元素的元素百分比接近2:3。说明此条件下，制备的Sn/β-Ga₂O₃薄膜最符合光电器件的制备要求。

3.3. 掺杂前后薄膜样品的电导率

采用范德堡法，对RF溅射功率分别为80、100和120 W，沉积时间为30 min的本征和掺杂的β-Ga₂O₃的薄膜样品进行了5次电导率测试，取平均值作为测试值。其中，直流溅射电流都为50 mA。电导率与RF溅射功率的关系曲线如图5所示。可看出，随着RF溅射功率的增加，样品的电导率逐渐增大，分别为2.15 × 10⁻⁶、3.22 × 10⁻⁶和4.92 × 10⁻⁶ S∙cm⁻¹。我们认为，随着溅射功率的增加，薄膜更加致密，膜层中生长缺陷的数量也随之降低，更利于导电载流子的传输，最终导致电导率逐渐增加。

从图5也可看出，随着溅射功率的增加，Cu、Sn掺杂样品的电导率也呈现了逐渐上升的趋势。其中，Cu/β-Ga₂O₃薄膜的电导率分别为5.02 × 10⁻⁶、10.25 × 10⁻⁶和12.87 × 10⁻⁶ S∙cm⁻¹，相对于本征β-Ga₂O₃薄膜，其电导率有了数量级的提升。这是因为，一方面，随着溅射功率的增加，薄膜更加致密，生长缺陷数量也将随之降低，更利于导电载流子的传输；另一方面，随着Cu掺杂比例的增加，掺杂进入晶格的Cu替位原子与间隙原子都为施主杂质，会增大β-Ga₂O₃费米面附近的电子密度，最终使电导率出现数量级的增加。另外，因Cu离子相对Ga 离子还存在离子半径的差异，也会导致晶格的轻微膨胀，增加载流子迁移率，最终使得Cu掺杂的Cu/β-Ga₂O₃薄膜的电导率得到明显改善。测试还发现，Cu掺杂后，薄膜的导电类型仍为n型电子导电 [8] [9] [10] [11]。

图5. 不同掺杂条件下制备的β-Ga₂O₃薄膜样品的电导率与RF靶溅射功率的关系曲线

从图5也可看出，在同样条件下制备的Sn/β-Ga₂O₃薄膜，电导率分别为10.02 × 10⁻⁶、13.05 × 10⁻⁶和17.67 × 10⁻⁶ S∙cm⁻¹，电导率增加的幅度比Cu掺杂的样品要大。这是因为，随着溅射功率的增加，膜层中Sn元素的掺杂量也会随之增加。当Sn²⁺离子替位Ga³⁺离子后，可在β-Ga₂O₃的导带底部引入杂质能级，导致其费米面出现明显上移，使β-Ga₂O₃的禁带宽度变窄，并增大费米面附近的态密度，最终使Sn/β-Ga₂O₃薄膜的电导率显著提升 [8]。电导率测试也发现，Sn掺杂后，薄膜的导电类型也为n型电子导电。

3.4. 不同器件的IV特性

图6a~c分别为掺杂前后β-Ga₂O₃二维薄膜半导体光电器件的IV特性曲线。其中，图6a为沟道宽度为100 μm，溅射功率分别为 80、100、120 W条件下制备的本征β-Ga₂O₃器件的IV曲线。可看到，当源漏偏压V_DS在−20V~+20V之间变化时，IV特性曲线都呈现了以原点为中心，沿正负偏压方向对称分布的特征。这使因为，因材料功函的不同，器件的源漏电极膜层与Ag胶电极间形成了两个完全等价，方向相反的背靠背连接的肖特基结，当正反向的偏压V_DS加载在器件上时，IV曲线就呈现了以原点为中心，沿正负X轴对称分布的特征。对比发现，在器件参数和沉积条件都相同的情况下，随着溅射功率的增大，在相同V_DS下，器件的源漏电流I_DS也随之增大。在V_DS = 20 V时，溅射功率为80 W的器件，其最大I_DS电流为1.12 µA；100 W器件的最大I_DS电流为2.63 µA；而120 W制备器件的最大I_DS电流可达4.32 µA。随后，我们还对器件进行了退火处理，并对比了退火前后器件的IV特性，图6a内插图给出了溅射功率120 W，沟道宽度为100 μm，经750℃退火处理1 h前后，本征β-Ga₂O₃器件的IV曲线对比图。发现退火处理后，其I_DS电流值都有了数量级的提高。我们认为，退火处理后，薄膜沟道中的生长缺陷得到抑制，沟道膜层的单晶生长趋势得到加强，导电性能得到改善。因此，在相同V_DS下，沟道载流子传输特性就会提高，最终使器件的I_DS有所提升 [9]。

图6b为沟道宽度分别为50和100 μm，溅射功率同为120 W，直流溅射电流为50 mA，经750℃退火处理1 h，制备的Cu掺杂Cu/β-Ga₂O₃器件的IV特性曲线。其内插图为器件的测量照片。可看到，在V_DS = +4 V的情况下，沟道宽度为50 μm时，I_DS值为46.58 µA；而在同样大小V_DS情况下，沟道宽度为100 μm时，其I_DS值为88.62 µA。我们认为，随着器件沟道宽度的减小，沟道中的生长缺陷数就会相对增多，这将导致沟道的电阻率的增大；同时，因沟道宽度为μm级，随着沟道宽度的减小，载流子迁移中的量子限域效应也会增强，这都会对I_DS产生抑制作用，最终导致器件I_DS值的减小。

图6c为RF溅射功率为100 W，直流溅射电流50 mA，沟道宽度为50 μm，在不同外加栅压V_GS下，Sn/β-Ga₂O₃器件的IV曲线。其中，器件经过了1 h，750℃的退火处理。可看出，当V_GS = 0 V时，其I_DS为42.36 µA；当V_GS = +5 V时，I_DS增大为47.57 µA；而在V_GS = −5 V时，器件的I_DS减小到33.61 µA。

图6. 掺杂前后沟道型β-Ga₂O₃半导体薄膜光电器件的IV特性曲线。(a) 本征β-Ga₂O光电器件(内插图为750℃退火处理1 h后的器件的IV曲线)；(b) Cu掺杂Cu/β-Ga₂O₃器件(内插图为器件进行测量时的照片)；(c) Sn掺杂Sn/β-Ga₂O₃器件(内掺图为不同掺杂条件下制备器件的IV特性曲线)

说明，可用外加底栅偏压V_GS调控器件的源漏电流I_DS的大小，说明制备的μm级沟道型Sn/β-Ga₂O₃半导体器件具有一定的场效应器件特征。对比发现，在相同的外加V_GS的作用下，对比本征β-Ga₂O₃器件，掺杂器件的V_GS具有更明显的对源漏电流I_DS的调控能力。

图6c内插图为RF溅射功率为100 W，DC溅射电流50 mA，沟道宽度50 μm条件下制备的本征β-Ga₂O₃和掺杂Cu/β-Ga₂O₃、Sn/β-Ga₂O₃器件的IV特性曲线对比图。其中，器件都经过了1 h，750℃的退火处理。可看到，随着V_DS的增加，不同器件的I_DS也随之增大。在开启阈值电压区间附近，三种掺杂器件的IV特性都呈现了线性关系。但随着V_DS的进一步增大，器件的IV特性曲线逐渐偏离线性关系 [4]。随着V_DS的增加，本征β-Ga₂O₃器件的I_DS逐渐增加，但曲线基本呈现线性变化趋势，且I_DS电流值变化幅度较小。当V_DS = +8 V时，I_DS值为14.56 µA；而Cu/β-Ga₂O₃器件在达到并超过阈值电压2.53 V后，其I_DS迅速增大，并表现出了较好的开关效应。当V_DS = +8 V时，其I_DS值为32.13 µA；而Sn/β-Ga₂O₃器件的I_DS值随着V_DS的增加而迅速增大，并迅速出现饱和趋势。在V_DS = +8 V下，其I_DS值为41.36 µA。比较发现，在V_DS相同的情况下，Sn/β-Ga₂O₃器件呈现了最大I_DS电流。说明Cu、Sn掺杂确实可使也会使β-Ga₂O₃半导体沟道的导电性得到提高。同时，Sn掺杂的效果比Cu掺杂的更好 [6]。

3.5. 不同器件的光电特性

为了将制备的沟道型β-Ga₂O₃薄膜光电器件应用于“日盲型”紫外探测器中，我们分别测量了RF溅射功率为120 W，沟道宽度为100 μm，直流溅射电流为50 mA，经750℃的退火处理后的不同器件的光响应I-t特性。如图7a所示。在V_DS = +5 V条件下，本征β-Ga₂O₃、Cu/β-Ga₂O₃和Sn/β-Ga₂O₃器件在暗室中的暗电流分别为0.002、0.018和0.019 µA。经254 nm紫外光源辐照后，所有器件都出现了明显的光电流。其中，本征β-Ga₂O₃器件的光电流最小，为0.86 µA；Cu/β-Ga₂O₃器件的光电流有了明显增加，约为1.42 µA，其光电流与暗电流之比约为8；而Sn/β-Ga₂O₃器件的光电流最大，约为2.21 µA (图7b)，其光电流与暗电流之比达到了112。可看出，掺杂后器件的光电流远大于本征β-Ga₂O₃器件的光电流。经过500多次开关实验发现，当紫外光源关闭时，所有器件的光电流都可迅速下降，并迅速恢复到初始暗电流大小 [7]。而Sn掺杂的Sn/β-Ga₂O₃器件的光电流最大，响应时间最短，器件光电响应特性最灵敏，更适合在应用于“日盲型”紫外探测器中 [4]。

图7. (a) 不同掺杂条件下制备的β-Ga₂O₃光电器件的光响应I-t曲线；(b) 典型Sn/β-Ga₂O₃器件的开关响应曲线

图7b给出了典型Sn/β-Ga₂O₃器件的一个开关周期的光响应I-t曲线。可看出，在V_DS = +5 V偏压下，随着紫外光源的开启，光电流迅速增加到2.21 μA，并达到稳定值；当光源关闭时，光电流迅速下降到0.017 μA，与初始暗电流值非常接近。器件开关比I_light/I_dark约为112。比较发现，相同条件下制备的本征β-Ga₂O₃器件的上升沿时间为0.55 s，下降沿衰减时间为0.45 s；而Cu掺杂器件的上升沿时间为0.45 s，下降沿时间为0.57 s；Sn掺杂器件的上升沿弛豫时间为0.42 s，下降沿弛豫时间约为0.27 s。说明Sn掺杂的Sn/β-Ga₂O₃器件光电响应特性最灵敏。我们认为，Sn掺杂后，Sn离子主要以替位形式存在于晶格中，膜层中存在的杂质能级及缺陷能级比Cu掺杂情况少。当紫外辐照光源关闭后，光生载流子主要通过电子–空穴耦合快速湮灭消失，而通过晶体中的缺陷及其他捕获态捕获湮灭的效应不明显，就使光电流更加迅速地恢复到暗电流，导致Sn/β-Ga₂O₃器件的下降沿时间最短，光电响应特性最灵敏 [4] [8] [10]。测试中，该器件经500多次重复开启、关闭，光响应I-t曲线仍具有良好的稳定性和可逆性。因此，沟道型Sn掺杂Sn/β-Ga₂O₃器件具有最优异的光电响应特性。

4. 结论

利用双靶射频磁控溅射技术，可制备出不同掺杂比例和不同设计参数的沟道型β-Ga₂O₃半导体薄膜光电器件；在相同溅射时间、溅射功率及掺杂直流溅射电流条件下，相比本征β-Ga₂O₃器件，掺杂后和退火处理都可使器件的电导率、IV特性和光电特性得到明显改善。其中，Sn/β-Ga₂O₃器件呈现了最佳的电导率、IV特性和光电特性；测试发现，在源漏外加电压V_DS相同的情况下，器件沟道宽度越大，器件的I_DS值也越大；可用外加底栅偏压V_GS调控器件的源漏电流I_DS的大小，说明制备的不同沟道型β-Ga₂O₃二维半导体薄膜器件具有一定的场效应器件特征。

实验也发现，在254 nm的紫外光源辐照下，所有器件都出现了明显的光电流。但掺杂Cu、Sn后器件的光电流远大于本征β-Ga₂O₃器件的光电流。在漏源电压V_DS为+5 V时，在0.42 s时间内，制备的最佳Sn/β-Ga₂O₃器件的光电流可从暗电流0.019 µA迅速增加到2.21 μA，并达到稳定值。而当光源关闭时，其光电流迅速下降到0.017 μA，与初始暗电流值非常接近。器件开关比I_light/I_dark约为112。比较发现，相同实验条件下，Sn掺杂Sn/β-Ga₂O₃器件光电流最大，响应时间最短，光电响应特性最灵敏，更适合应用于“日盲型”紫外光电探测器研究开发领域。

基金项目

国家自然科学基金资助项目(61076104, 80220022)，大连市科技创新基金重点资助项目(2019J12GX036)对本研究工作提供了资金支持。

文章引用

刘 畅,刘 俊,刘 源,胡馨月,李 旺,柳 婕,李梦轲. Cu、Sn掺杂的沟道型β-Ga₂O₃半导体薄膜光电器件的制备及特性研究
Preparation and Characterization of Channeled β-Ga₂O₃ Semiconductor Thin Film Optoelectronic Devices Doped with Cu and Sn Elements[J]. 材料科学, 2023, 13(03): 200-212. https://doi.org/10.12677/MS.2023.133024

参考文献