介绍

近年来，氧化镓(Ga2O3)及其相关化合物(AlxGa2-XO3, InxGa1-x)2O3因其优异的电学和光电特性而引起广泛关注，如宽的基带隙(4.5-5 eV)， 755 V的高关态击穿电压，10.2 - 14.2的高介电常数，2790 cm2 V−1 s−1的高迁移率。目前，Ga2O3已广泛应用于太阳盲紫外探测、大功率开关、金属氧化物半导体场效应晶体管(metal oxide semiconductor field effect transistor, MOSFET)、高温气体传感器等多个领域。

Ga2O3通常以α、β、γ、δ、ε和k六种不同的多形性结构存在，其中β-Ga2O3被认为是最稳定的相，在高温下可以由其他相转化而成。目前，β-Ga2O3的生长方式有多种，包括RF溅射、MBE、MOCVD、化学气相沉积等。RF磁控溅射是一种相对经济的沉积技术，与上述技术相比，它对薄膜的化学计量和均匀性有足够的控制。目前研究最多的是衬底温度、氧/氩分压和溅射功率等生长参数对Ga2O3性能的影响。然而，在固定Ar流量下，O2流量对反应性RF磁控溅射沉积β-Ga2O3薄膜结构和光学性能的影响却鲜有报道。由于生长过程中的缺氧会在氧化物半导体材料中诱发氧空位，因此氧空位会影响氧化物半导体薄膜的光学和电学性能。因此，研究O2流量对RF磁控溅射沉积Ga2O3薄膜特性的影响具有重要意义。

本文采用RF磁控溅射的方法对β-Ga2O3进行了生长，详细研究了O2流量对β-Ga2O3结构和光学特性的影响。随着O2流量的增加，β-Ga2O3样品的紫外发射性能得到了改善。通过仔细观察PL谱结合XRD结果，对β-Ga2O3薄膜的增强发光机理进行深入研究。预计这项工作将为制备高质量β-Ga2O3薄膜提供有意义的一步。

材料与方法

采用RF磁控溅射系统在单抛光c面(0006)蓝宝石衬底上生长Ga2O3样品。采用纯度为99.99%的烧结陶瓷Ga2O3靶材作为靶材。在生长前，蓝宝石衬底首先在乙醇中用超声波振动清洗，然后在高纯水中清洗。氩气流量设定为30 sccm，压力设定为0.8 Pa。溅射功率调整为80 w，样品与靶材之间的距离为760 mm。真空室基础压力达到5.6 × 10−4 Pa。Ar流量在30 sccm时保持恒定。在实验中，将O2流速分别设定为0 sccm、1 sccm、2 sccm、4 sccm。将其他参数的影响降到最低。

通过XRD技术(XRD，X′Pert, Philips, Eindhoven, Netherlands)对Ga2O3的结构进行了表征。在场发射扫描电子显微镜(FE-SEM, ZEISS Merlin Compact, Oberkochen, Germany)上对样品的形貌进行了表征。以Zolix响应度测量系统(λ = 266 nm)为激发源(DSR600，Zolix，北京，中国)，研究了PL光谱。

结果与结论

显示了不同O2流速下Ga2O3薄膜的x射线衍射结果。衍射峰位于29.7°、37.6°和58.4°，分别来自β-Ga2O3的400、402和603处。对于无O2流量的样品，400、402、603的β-Ga2O3衍射峰共存;这说明该样品为多晶。随着O2流量从0 sccm增加到4 sccm, 400 β-Ga2O3的衍射峰强度降低，402和603 β-Ga2O3的衍射峰强度均增加。这两种衍射都属于单斜Ga2O3的201平面家族。上述结果表明，制备出了高度201织构的β-Ga2O3样品，随着氧流量的增加，晶体取向逐渐增强。当O2流量从0增大到4 sccm时，402 β-Ga2O3峰的半高宽(FWHM)分别为1.00°、1.10°、1.06°和0.96°。FWHM值依赖于O2流量，结果表明较高的O2流量会改善晶体质量。当氧流量为4 sccm时，FWHM最小，晶粒尺寸最大。XRD峰强度和样品FWHM值的综合结果表明，O2流量越大，样品质量越好。

综上所述，针对氧流对Ga2O3薄膜结构的影响，通过XRD、EDX、AFM、透射光谱和PL光谱研究了薄膜的光学性质。随着氧流动速率的增加，样品的晶体质量和发光强度都先降低后增强。这些结果表明，氧缺陷密度的降低是提高材料晶体质量和发射强度的原因，然而，目前还没有关于O2流量对RF磁控溅射生长Ga2O3性能的研究报道。我们的结果与其他技术以及各种实验操作参数的具体控制所获得的结果相似。Vu发现，高氧分压的β- ga2o3基光电探测器的性能优于低氧分压下制备的探测器。Wang等利用RF磁控溅射研究了氧流量比对sn掺杂Ga2O3薄膜性能的影响;他们发现，氧流比较高的样品表现出增强的性能。Shen的研究表明，氧退火将提高离子切割工艺生长的β-Ga2O3太阳盲光电探测器的性能。我们的研究结果表明，通过调节氧流量可以获得高质量的氧化镓材料。