该文档由Ugur Harmanci、M. Tahir Gulluoglu、Ferhat Aslan、Abdullah Atilgan和Abdullah Yildiz共同撰写，分别来自土耳其的Harran大学和Ankara Yildirim Beyazıt大学。该研究于2022年8月12日发表在《Journal of Materials Science: Materials in Electronics》期刊上。该研究首次展示了一种基于钛掺杂（Ti-doped）Ga₂O₃/Si p-n异质结的日盲紫外光电探测器（solar-blind ultraviolet photodetector, SBUP），并探讨了其性能优化及其在军事和民用领域的潜在应用。
日盲紫外光电探测器（SBUP）是一种高效的器件，能够在紫外波段（特别是日盲区，即波长小于280 nm的紫外光）进行探测，广泛应用于军事和民用领域。过去几年，研究人员通过使用多种功能材料（如AlₓGa₁ₓN、MgₓZn₁ₓO和Ga₂O₃）来提升SBUP的性能。然而，基于AlₓGa₁ₓN和MgₓZn₁ₓO的SBUP由于合金化过程中产生的大量缺陷态密度，导致其光电响应性能下降。相比之下，Ga₂O₃（GO）因其无需合金化过程、宽禁带特性（wide bandgap）和低成本等优势，成为SBUP的理想候选材料。然而，未掺杂的Ga₂O₃由于其宽禁带特性，表现为电绝缘体，因此需要通过掺杂（如Mg、Zn、Sn、Si和Sb）来改善其光电性能。其中，钛（Ti）掺杂的Ga₂O₃（TGO）因其优异的光电性能而备受关注。
该研究的目标是通过钛掺杂优化Ga₂O₃/Si p-n异质结的性能，并验证其在日盲紫外光电探测器中的应用潜力。研究首次报道了基于TGO/Si p-n异质结的SBUP，并通过实验验证了其性能的显著提升。
研究主要包括以下几个步骤：
材料制备：研究使用硝酸镓水合物（Ga(NO₃)₃·xH₂O）、单乙醇胺（MEA）和2-甲氧基乙醇作为前驱体材料、稳定剂和溶剂，制备了Ga₂O₃溶液。为了研究钛掺杂的影响，分别制备了未掺杂和钛掺杂（Ti/Ga原子比为3%）的Ga₂O₃溶液。溶液在60°C下混合24小时以获得均匀透明的溶液。
基板处理与涂覆：使用标准程序清洗Si（100）基板，然后通过旋涂技术（spin-coating）将溶液涂覆在基板上，涂覆速度为2000 rpm，持续30秒。涂覆后的样品在150°C下干燥10分钟，然后在900°C下退火。
电极制备与表征：使用银作为前后电极，通过丝网印刷技术（screen-printing）制备电极，并在150°C下加热10分钟。样品的电流-电压（I-V）特性在254 nm紫外光（UV-C）照射下进行测试。
材料表征：通过能量色散X射线光谱（EDS）验证了钛掺杂Ga₂O₃的形成，并通过扫描电子显微镜（SEM）观察了薄膜的形貌和厚度。光学性质通过紫外-可见光谱（UV-Vis）进行测试，并使用Tauc方程计算了薄膜的带隙能量。
光电性能测试：通过I-V特性测试和瞬态光电流响应测试，评估了未掺杂和钛掺杂Ga₂O₃/Si p-n异质结的光电性能。关键参数包括响应度（responsivity）、外量子效率（EQE）、探测率（detectivity）和线性动态范围（LDR）等。
材料表征：EDS结果证实了钛离子成功掺杂到Ga₂O₃晶格中，Ti/Ga原子比为3%。SEM结果显示，未掺杂和钛掺杂Ga₂O₃薄膜的厚度均为450 nm，且表面均匀致密。光学测试表明，钛掺杂Ga₂O₃在可见光区域具有更高的透明度，且在深紫外区域（<280 nm）表现出更强的吸收特性。Tauc方程计算结果显示，未掺杂和钛掺杂Ga₂O₃的带隙能量分别为4.64 eV和4.59 eV。
光电性能：I-V特性测试表明，钛掺杂Ga₂O₃/Si p-n异质结在反向偏置下表现出显著的光电流增强，响应度为0.382 A/W，远高于未掺杂Ga₂O₃/Si异质结的0.136 A/W。此外，钛掺杂器件的上升时间（rise time）为73 ms，衰减时间（decay time）为85 ms，均优于未掺杂器件。钛掺杂还提高了器件的外量子效率（130%）、探测率（2.3 × 10¹⁰ Jones）和线性动态范围（7.3 dB）。
机制分析：钛掺杂通过替代Ga₂O₃晶格中的Ga³⁺离子，改善了材料的电导率，并抑制了晶界缺陷态的形成，从而提高了光电性能。钛掺杂还优化了异质结的质量，促进了光生载流子的快速分离和迁移。
该研究首次展示了基于钛掺杂Ga₂O₃/Si p-n异质结的日盲紫外光电探测器，并通过实验验证了其优异的光电性能。钛掺杂显著提高了器件的响应度、外量子效率、探测率和响应速度，使其性能优于大多数已报道的未掺杂Ga₂O₃光电探测器。该研究为下一代光电器件的开发提供了新的思路，具有重要的科学和应用价值。
研究还提供了详细的实验数据和对比分析，验证了钛掺杂对Ga₂O₃光电性能的改善作用。此外，研究还探讨了钛掺杂对材料光学性质和带隙能量的影响，为后续研究提供了重要的参考依据。