《Materials Science in Semiconductor Processing》：Structural, optical and photoresponse properties of high-quality MgSnO
3 epitaxial films deposited by PLD method
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脈沖激光沉積制備的R3c-MgSnO3薄膜在800℃時性能最優(yōu)，具有低缺陷密度（2.76×10^6 cm?2）、寬帶隙（4.11 eV）、高透光率（>99.5%）和低吸收系數(shù)（<0.05），其基于的紫外-可見光分界探測器在240-325 nm波段響應(yīng)顯著，峰值EQE達8.62%，且具備穩(wěn)定可重復(fù)的開關(guān)特性。
王遠康|周浩|韓欣宇|段景天|王帆|欒彩娜|肖洪迪
山東大學(xué)集成電路學(xué)院，濟南，250101，中國
摘要
通過脈沖激光沉積（PLD）方法，在700-900°C的溫度范圍內(nèi)，在LiTaO3襯底上生長出了高質(zhì)量的R3c型鎂錫酸鹽（R3c-MgSnO3）外延薄膜。薄膜與襯底之間的外延關(guān)系為MgSnO3(0001)||LiTaO3(0001)，其中MgSnO3的晶格常數(shù)相差約為1%。通過對薄膜結(jié)構(gòu)和光學(xué)性能的分析，我們發(fā)現(xiàn)800°C下生長的薄膜具有最佳性能：最低的螺旋位錯密度（2.76 × 106 cm?2）、最寬的光學(xué)帶隙（約4.11 eV）、最高的透射率（>99.5%）以及在325-800 nm波長范圍內(nèi)的最低消光系數(shù)（<0.05）�；谶@種優(yōu)化薄膜的太陽盲光電探測器在240–325 nm范圍內(nèi)表現(xiàn)出良好的響應(yīng)特性（在272 nm處達到峰值，UV到可見光的抑制比約為415）。在254 nm紫外光照射下，該器件表現(xiàn)出穩(wěn)定且可重復(fù)的開關(guān)行為，5 V電壓下的響應(yīng)度為17.67 mA/W。這些結(jié)果表明，MgSnO3外延薄膜是高性能太陽盲光電探測和透明電子器件領(lǐng)域的有希望的候選材料。
引言
ABO3半導(dǎo)體材料存在三種類型結(jié)構(gòu)，包括LiNbO3型（空間群：R3c）、鈦鐵礦型（空間群：R3m）和鈣鈦礦型（空間群：Pm3m）[1], [2], [3]。其中，LiNbO3型ABO3（R3c-ABO3）材料具有極性結(jié)構(gòu)，具有良好的鐵電性、壓電性和寬帶隙[4], [5], [6]。ABO3原子的排列導(dǎo)致正負電荷中心不重合，從而產(chǎn)生固有的電偶極矩，這是材料極性的根本原因。LiNbO3型材料的寬帶隙可以有效控制光電子器件中的光吸收和發(fā)射，而其極性特性賦予了材料良好的鐵電性、壓電性等性質(zhì)。因此，這些材料在傳感器和光調(diào)制器等許多領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用[1,4]。
最近，通過不同的方法制備了一系列新的R3c-ABO3材料（例如ZnSnO3 [7,8]、MnSnO3 [9,10]和ZnTiO3 [11,12]）。然而，這些氧化物的帶隙（Eg）通常低于4.0 eV（例如ZnSnO3 ? 3.90 eV，MnSnO3 ? 2.91 eV，ZnTiO3 ? 3.70 eV），這主要是由于A位陽離子（如Mn2+中的d軌道貢獻）的特定電子結(jié)構(gòu)導(dǎo)致帶結(jié)構(gòu)較窄。這些較低的帶隙值通常限制了它們在深紫外（DUV）應(yīng)用中的有效性。相比之下，MgSnO3預(yù)計具有更寬的帶隙，因為Mg2+在帶邊緣附近沒有d軌道的干擾�；诘谝恍栽碛嬎愕睦碚撗芯勘砻鳎琑3c-MgSnO3具有約4.0 eV的寬間接帶隙[13,14]。實驗上，F(xiàn)ujiwara等人報道了通過分子束外延法生長的R3c-MgSnO3外延薄膜的光學(xué)帶隙為4.0 eV[1]。然而，在我們之前的工作中，通過脈沖層沉積（PLD）技術(shù)在SrTiO3襯底上生長的MgSnO3外延薄膜的光學(xué)帶隙約為3.93 eV[15]。與參考文獻[1]中報道的值相比，相對較低的光學(xué)帶隙可以歸因于其較高的缺陷密度。因此，為了進一步提高MgSnO3外延薄膜的光學(xué)帶隙，有必要進一步提高其晶體質(zhì)量。
在本研究中，通過PLD技術(shù)在LiTaO3襯底上成功制備了R3c-MgSnO3外延薄膜。利用較低的晶格失配（約1.55%）和對稱性匹配，實現(xiàn)了優(yōu)異的晶體質(zhì)量。與類似的錫酸鹽材料（如ZnSnO3、ZnTiO3和MnSnO3 [7,9,12]相比，這些薄膜具有最寬的光學(xué)帶隙（約4.11 eV）和極高的可見光透射率（>99.5%）。此外，本研究系統(tǒng)地研究了生長溫度對缺陷、氧空位濃度和光電性能的影響。該光電探測器表現(xiàn)出穩(wěn)定的太陽盲光響應(yīng)特性，UV/可見光的抑制比超過400，5 V偏壓下的峰值外部量子效率（EQE）為8.62%。
實驗細節(jié)
在600-900°C的溫度范圍內(nèi)，使用Nd:YAG固態(tài)激光器和PLD系統(tǒng)，在37.5 mTorr的氧壓下，在經(jīng)過雙面拋光的LiTaO3(0001)襯底上生長MgSnO3薄膜。腔室的基礎(chǔ)壓力為5 × 10?7 Torr，靶材與晶圓之間的距離為10 cm。MgSnO3陶瓷靶材的MgO與SnO2的摩爾比為1:1，由中諾先進材料（北京）科技有限公司提供。MgO和SnO2的純度為99.99%。
結(jié)果與討論
圖1(a)顯示了在600至900°C的襯底溫度（ST）下生長在LiTaO3襯底上的MgSnO3薄膜的XRD衍射圖樣。對于800°C生長的樣品，我們僅觀察到位于39.28°和84.44°的襯底衍射峰，分別對應(yīng)于LiTaO3(0006)和(00012)晶面（JCPDS No. 29-0836）。當ST ≥ 700°C時，除了襯底衍射峰外，還出現(xiàn)了兩個明顯的衍射峰，分別位于約37.90°和81.05°。
結(jié)論
通過PLD方法成功在LiTaO3(0001)晶圓上生長出了R3c-MgSnO3(0001)外延薄膜，其外延關(guān)系為MgSnO3的晶格常數(shù)相差約為1%。溫度是一個非常重要的生長參數(shù)，會顯著影響MgSnO3薄膜的質(zhì)量。由于襯底與薄膜之間的晶格失配較低（約1.55%），800°C下生長的薄膜具有狹窄的X射線 rocking 曲線半高寬（0.099°）和寬的光學(xué)帶隙（約4.11 eV）。
CRediT作者貢獻聲明
王遠康：撰寫 – 原稿撰寫、可視化、數(shù)據(jù)分析、概念構(gòu)思。周浩：數(shù)據(jù)分析。韓欣宇：方法研究、實驗設(shè)計、數(shù)據(jù)分析。段景天：數(shù)據(jù)分析。王帆：實驗研究。欒彩娜：撰寫 – 審稿與編輯、指導(dǎo)。肖洪迪：撰寫 – 審稿與編輯、指導(dǎo)、資金獲取、概念構(gòu)思。
利益沖突聲明
作者聲明他們沒有已知的可能會影響本文工作的競爭性財務(wù)利益或個人關(guān)系。
致謝
本工作得到了國家自然科學(xué)基金（項目編號51872169）的支持。
