Zhiwei Wang, Keju Han, Hong Huang, Xiaolong Zhao, Haoyan Zhan, Xiaohu Hou, Xiao Feng, Xuanze Zhou, Guangwei Xu, Feng Zhang, 和 Shibing Long 等作者来自中国科学技术大学和厦门大学，他们的研究论文《Interface-Engineering Induced Swift and Controllable Solar-Blind Photoresponse in Ga2O3/SiC Heterojunction Based on Unconventional Rectification Characteristics》于2024年发表在《Advanced Functional Materials》期刊上。这项研究属于半导体材料与光电器件领域，旨在通过界面工程提升基于Ga2O3/SiC异质结的日盲光电探测器的性能。

学术背景

日盲光电探测器（Solar-Blind Photodetectors）在深紫外（DUV）成像、安全通信、电晕检测、生物检测和臭氧层监测等领域具有重要应用。Ga2O3作为一种超宽带隙半导体材料，因其合适的直接带隙（≈4.90 eV）、高击穿电场（≈8 MV cm⁻¹）、优异的热稳定性和辐射硬度等特性，成为日盲光电探测器的理想候选材料。然而，Ga2O3光电探测器的平面结构和较慢的响应速度限制了其集成和应用。为此，研究团队提出了一种基于Ga2O3/SiO2/SiC异质结的垂直结构光电探测器，通过界面调控实现快速且可控的光电响应。

研究流程

研究主要分为以下几个步骤：
1. 材料制备与器件构建
研究团队使用金属有机化学气相沉积（MOCVD）方法在商用SiC衬底上生长了一层窄SiO2势垒层，随后沉积了β-Ga2O3薄膜，构建了Ga2O3/SiO2/SiC异质结。通过高温氧化和MOCVD沉积，成功实现了材料的异质集成。
2. 材料表征
利用X射线光电子能谱（XPS）和X射线衍射（XRD）分析了SiC衬底氧化前后的元素含量和Ga2O3薄膜的晶体结构。透射电子显微镜（TEM）和X射线能量色散谱（EDS）进一步证实了SiO2界面层的存在及其对异质结结构的影响。
3. 光电性能测试
研究了器件在不同偏压模式下的光电响应性能，包括暗电流、光电流、响应度（Responsivity, R）、光暗电流比（Photo-to-Dark Current Ratio, PDCR）、线性动态范围（Linear Dynamic Range, LDR）和比探测率（Specific Detectivity, D*）。
4. 瞬态响应与稳定性测试
通过瞬态电流-时间（I-T）曲线测试了器件的响应速度和稳定性，并提出了交替偏压策略（Alternating Biasing Strategy, ABS）以抑制持久光电导效应（Persistent Photoconductivity, PPC）并提升衰减速度。

主要结果

1. 材料表征结果
   XPS和XRD分析表明，SiC衬底氧化后表面氧含量显著增加，证实了SiO2层的成功引入。TEM和EDS结果显示，Ga2O3/SiO2/SiC异质结界面存在约5 nm的非晶SiO2层，且Ga元素在界面层中有一定程度的扩散。
   
2. 光电性能结果
   器件在反向偏压下表现出高响应度（186.8 A W⁻¹），在正向偏压下表现出低暗电流（3 pA）、高光暗电流比（8.8 × 10⁶）、宽线性动态范围（138.8 dB）和高比探测率（1.4 × 10¹⁵ Jones）。
   
3. 瞬态响应与稳定性结果
   器件在254 nm光照下表现出可重复的光电响应，上升时间和衰减时间分别为1.23 s和0.51 s。交替偏压策略将衰减时间缩短了1.23 × 10⁵倍，降至4.18 μs。器件在空气中存储6个月后仍保持优异的光电响应稳定性。
   

结论

该研究通过界面工程实现了Ga2O3/SiO2/SiC异质结光电探测器的快速且可控的光电响应，解决了Ga2O3光电探测器响应速度慢和持久光电导效应的问题。研究结果为高性能Ga2O3光电器件的进一步发展提供了重要参考，特别是在高密度集成和工业化应用方面具有广阔前景。

研究亮点

1. 创新性界面设计：通过引入SiO2界面层，实现了Ga2O3/SiC异质结的能带结构调控，从而提升了器件的光电性能。
   
2. 优异的光电性能：器件在反向偏压下表现出高响应度，在正向偏压下表现出低暗电流和高比探测率。
   
3. 交替偏压策略：提出的交替偏压策略显著抑制了持久光电导效应，大幅提升了器件的响应速度。
   
4. 长期稳定性：器件在空气中存储6个月后仍保持优异的光电响应性能，展示了其在实际应用中的潜力。
   

其他有价值的内容

研究还通过Sentaurus Technology Computer Aided Design（TCAD）模拟了器件的能带结构、载流子传输机制和电子隧穿概率，进一步验证了实验结果的理论基础。这些模拟结果为理解器件的独特光电响应特性提供了重要支持。