基于MBE生长的β-Ga₂O₃肖特基紫外-C光电探测器研究进展

作者及发表信息
本研究由Anamika Singh Pratiyush（印度科学学院纳米科学与工程中心）、Zhanbo Xia（俄亥俄州立大学电气与计算机工程系）等合作团队完成，发表于2018年12月1日的《IEEE Photonics Technology Letters》第30卷第23期。研究得到印度DST、美国海军研究办公室等机构的资助。

学术背景
β-Ga₂O₃（氧化镓）因其4.6-4.9 eV的宽禁带特性，成为日盲紫外（Solar-blind UV，波长<280 nm）探测器的理想材料。相比传统AlGaN材料，β-Ga₂O₃可通过常规晶体生长技术获得低缺陷浓度的高质量薄膜，兼具高击穿场强和化学稳定性优势。然而，此前关于分子束外延（MBE）生长的β-Ga₂O₃垂直肖特基探测器研究较少。本研究旨在开发一种高性能自供电日盲探测器，解决金属-半导体-金属（MSM）结构需外部偏压的局限性。

研究流程与方法
1. 材料生长
- 衬底与薄膜：采用Fe掺杂绝缘（010）取向β-Ga₂O₃衬底，通过等离子体辅助MBE生长硅掺杂n++层（60 nm，浓度2×10²⁰ cm⁻³）和非故意掺杂（UID）层（100 nm）。生长参数：700°C基底温度、1.5×10⁻⁵ Torr腔压、300 W氧等离子体功率。
- 表征：原子力显微镜（AFM）显示薄膜均方根粗糙度为1.03 nm（图1a），表明表面质量优异。

1. 器件制备

   • 电极设计：顶部采用Ni/Au（30/100 nm）肖特基接触，底部通过铟（In）形成n++层的欧姆接触（图1b-c）。通过标准光刻工艺定义活性区域（0.00024 cm²）。
     
   • 欧姆接触验证：In-(n++)Ga₂O₃-In结构的线性I-V曲线（图2）证实欧姆接触特性。

2. 性能测试

   • 电学特性：暗态下器件整流比达10⁷，开启电压1 V，理想因子1.31，肖特基势垒高度1.4 eV（图3）。5 V反向偏压下暗电流仅0.3 nA。
     
   • 光电响应：254 nm光照下零偏压响应度4 mA/W（外量子效率3%），日盲区（254 nm）与可见光区（450 nm）抑制比>10³（图4a）。偏压提升至5 V时响应度增强（图4b），但暗电流增加。
     
   • 瞬态特性：零偏压下上升/下降时间为0.09/0.41 s（图5a），5 V偏压时略增至0.¹⁷⁄₀.45 s，归因于氧空位陷阱效应。

3. 温度依赖性分析

   • 25-125°C范围内I-V特性符合热电子发射模型（图6），Richardson常数拟合值为44.7 A·cm⁻²·K⁻²，与理论值（41 A·cm⁻²·K⁻²）一致。

主要结果与逻辑关联
- 材料生长与器件设计：MBE生长的低缺陷薄膜为高整流比（10⁷）奠定基础，垂直结构避免了MSM探测器的偏压依赖问题。
- 光电性能：零偏压下3%的EQE证实自供电能力，高抑制比（10³）表明纯日盲响应，优于多数AlGaN探测器。
- 瞬态响应：较慢的衰减时间（0.41 s）指向深能级缺陷（如氧空位）的影响，与文献[14,28]报道一致。
- 温度稳定性：热电子发射主导的输运机制支持器件在高温环境的应用潜力。

结论与价值
1. 科学价值：首次报道MBE生长的β-Ga₂O₃垂直肖特基日盲探测器，为宽禁带半导体器件设计提供新范式。
2. 应用价值：零偏压工作模式适合电池受限场景（如航天、物联网），高灵敏度（0.3 nA暗电流）和稳定性可推动火焰探测、紫外成像等国防与医疗应用。
3. 技术突破：通过n++层实现底部公共接触，简化阵列集成工艺。

研究亮点
1. 创新结构：Ni/β-Ga₂O₃/n++-Ga₂O₃垂直架构结合高整流比（10⁷）与自供电特性。
2. 性能优势：零偏压响应度（4 mA/W）和抑制比（10³）达国际领先水平（对比表I）。
3. 机理揭示：通过温度依赖实验验证热电子发射模型，为界面工程提供理论指导。

其他发现
- 表面态影响：恒定偏压下光电流衰减现象（图5b）可用Chongyang模型解释，表明表面态对器件稳定性具有调控潜力。
- 材料缺陷：氧空位虽导致响应速度较慢，但可通过后续掺杂优化（如Mg补偿）进一步改善。

本研究为β-Ga₂O₃日盲探测器的实用化迈出关键一步，后续工作可聚焦于阵列集成与响应速度提升。