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研究作者及机构
本研究的作者包括Qihang Sun、Jiayun Wei、Wei Han等，主要来自湖北大学微电子与集成电路研究所、郑州大学物理与微电子学院、湖北大学材料科学与工程学院以及JFS实验室。该研究发表于Surfaces and Interfaces期刊，2025年2月17日在线发表，文章编号为106052。

学术背景
本研究聚焦于太阳盲区紫外光探测器（solar-blind UV photodetectors），这是一种在200-280 nm波长范围内工作的探测器，由于臭氧层的吸收，该波段的紫外光无法到达地球，因此被称为“太阳盲区”。太阳盲区紫外光探测器在臭氧层空洞检测、火焰检测和电晕检测等领域具有重要应用潜力。然而，目前基于β-Ga2O3薄膜的探测器性能（如探测率、响应时间等）仍落后于商用设备，主要原因是金属-半导体界面处的金属诱导间隙态（metal-induced gap states, MIGS）问题。本研究的目的是通过接触工程（contact engineering）设计一种基于半金属铋（semimetal Bi）电极和单晶β-Ga2O3薄膜的欧姆接触探测器，以提升其性能。

研究流程
1. 材料制备与表征
- 采用金属有机化学气相沉积（MOCVD）技术在蓝宝石衬底上生长β-Ga2O3单晶薄膜，生长温度为800°C，压力为40 Torr。
- 通过真空镀膜机在β-Ga2O3样品上沉积半金属铋（Bi）电极，厚度分别为50 nm、80 nm和100 nm。
- 使用X射线衍射（XRD）分析β-Ga2O3薄膜的晶体结构，X射线光电子能谱（XPS）分析其成分，紫外-可见吸收光谱（UV-Vis）分析其光谱特性。
- 通过原子力显微镜（AFM）和扫描电子显微镜（SEM）表征薄膜表面形貌和厚度。

1. 界面分析与器件制备

   • 使用高角度环形暗场扫描透射电子显微镜（HAADF-STEM）和高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）分析Bi-β-Ga2O3界面，发现Bi电极通过范德华外延（van der Waals epitaxy）在β-Ga2O3上生长，界面干净且无悬挂键。
     
   • 制备光电导型探测器阵列（5×5），电极间距为49.73 μm，有效面积为1.32×10⁻⁴ cm²。
     

2. 光电性能测试

   • 在254 nm紫外光照射下，测试器件的电流-电压（I-V）特性、响应度（responsivity）、探测率（detectivity）和外量子效率（EQE）。
     
   • 使用Keithley 4200测量器件的暗电流和光电流，计算光暗电流比（PDCR）和响应时间。
     

3. 缺陷与性能优化

   • 通过空间电荷限制电流（SCLC）模型计算Bi-β-Ga2O3和Au-β-Ga2O3界面的陷阱密度，发现Bi接触显著降低了界面缺陷。
     
   • 比较不同厚度Bi电极和不同金属（Pt、Au）电极对器件性能的影响，确定80 nm Bi电极为最优选择。
     

主要结果
1. 界面特性
- HRTEM和HAADF-STEM显示，Bi-β-Ga2O3界面干净且无悬挂键，Bi电极为单晶结构，生长方向为[110]。
- 能带结构分析表明，Bi的费米能级略高于β-Ga2O3，能带向下弯曲，界面势垒低，形成良好的欧姆接触。

1. 光电性能

   • 在254 nm紫外光（6 μW/cm²）照射下，器件表现出720 A/W的高响应度和4.35×10¹⁵ Jones的超高探测率。
     
   • 光暗电流比（PDCR）达到4.42×10⁵，响应时间为46 ms（上升）和112 ms（下降）。
     
   • 与Au和Pt电极相比，Bi电极显著降低了暗电流并提高了探测率。
     

2. 成像性能

   • 在6 μW/cm²紫外光照射下，5×5探测器阵列成功实现了“H”字母的成像，展示了其在深紫外光电成像中的应用潜力。
     

结论
本研究通过引入半金属铋电极，成功抑制了β-Ga2O3探测器中的MIGS问题，实现了高性能的太阳盲区紫外光探测器。器件在254 nm紫外光下表现出高响应度、高探测率和低暗电流，展示了其在臭氧层空洞检测、火焰检测和电晕检测等领域的应用潜力。此外，探测器阵列的成像功能为其在深紫外光电成像中的应用奠定了基础。

研究亮点
1. 创新性接触工程：首次将半金属铋电极应用于β-Ga2O3探测器，通过范德华外延实现干净界面，显著提升了器件性能。
2. 高性能指标：在低光强（6 μW/cm²）下仍保持高探测率（4.35×10¹⁵ Jones），优于大多数已报道的β-Ga2O3探测器。
3. 成像功能：成功实现深紫外光电成像，展示了其在实际应用中的潜力。

其他有价值的内容
本研究还通过SCLC模型定量分析了界面陷阱密度，为优化接触工程提供了理论依据。此外，比较了不同厚度Bi电极和不同金属电极对器件性能的影响，为未来研究提供了重要参考。

这篇研究通过创新的材料设计和详细的实验分析，为太阳盲区紫外光探测器的发展提供了新的思路和方法，具有重要的科学和应用价值。