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作者及发表信息

该研究由Ke Tang、Zhichao Qian、Wei Zhang、Lei Zhang、Keyun Gu、Zilong Zhang、Haofei Huang、Hengzhi Xing、Lulu Wang、Masaya Toda、Linjun Wang和Jian Huang共同完成。研究团队来自上海大学材料科学与工程学院、日本东北大学机械系统工程系、浙江先进材料研究院以及上海智能传感芯片技术协同创新中心。该论文发表于《Physica B: Condensed Matter》期刊，发表日期为2025年2月19日。

学术背景

该研究聚焦于太阳能盲区紫外光电探测器（solar-blind ultraviolet photodetectors, SUV PDs）领域，特别是基于氧化镓（Ga₂O₃）的p-i-n异质结结构。SUV PDs因其在臭氧层监测、环境检测和安全通信系统中的潜在应用而备受关注。Ga₂O₃因其独特的性质，尤其是其吸收截止边恰好位于太阳能盲区紫外波段（solar-blind ultraviolet band, SUV band），被认为是制造SUV PDs的理想材料。然而，Ga₂O₃的p型掺杂稳定性问题以及低载流子浓度限制了其在实际应用中的表现。因此，研究团队旨在通过引入高电阻本征层（intrinsic layer, i-layer）和钽（Ta）掺杂的n型Ga₂O₃薄膜，优化p-i-n异质结结构，以降低暗电流并提高光电探测器的响应速度和灵敏度。

研究流程

研究分为以下几个主要步骤：

1. 材料制备
   研究团队采用磁控溅射（magnetron sputtering）技术在p型硅（p-Si）基底上沉积Ga₂O�薄膜。首先，使用高纯度（99.99%）未掺杂的Ga₂O₃陶瓷靶材和Ta掺杂的Ga₂O₃陶瓷靶材（n-Ga₂O₃:Ta，96 at% Ga₂O₃和4 at% Ta₂O₅）进行溅射。在溅射前，基底依次用丙酮、乙醇和去离子水进行超声清洗，并用10%氢氟酸（HF）去除原生氧化层。溅射过程中，腔体背景真空度低于1×10⁻⁷ Torr，溅射气氛为纯氩气（Ar）或氩氧混合气体（Ar+O₂），溅射压力为2 mTorr。

2. 器件结构设计
   研究团队设计了三种异质结结构：p-Si/i-Ga₂O₃/n-Ga₂O₃:Ta（Ga₂O₃:Ta-pin）、p-Si/n-Ga₂O₃（Ga₂O₃-pn）和p-Si/n-Ga₂O₃:Ta（Ga₂O₃:ta-pn）。其中，Ga₂O₃:Ta-pin结构通过在p-Si和n-Ga₂O₃:Ta之间插入80 nm的本征Ga₂O₃（i-Ga₂O₃）层实现。随后，在Ga₂O₃薄膜上沉积Ti（50 nm）/Au（50 nm）电极，并在Si基底上沉积Au（50 nm）电极。

3. 材料表征
   研究团队使用X射线衍射仪（XRD）分析了Ga₂O₃薄膜的结构，发现其呈非晶态。通过紫外-可见分光光度计（UV-Vis spectrophotometer）测量了薄膜的光学性质，发现其在可见光范围内具有高透明度（>90%），并在250 nm处有明显的吸收边。通过X射线光电子能谱（XPS）分析了薄膜的价态，发现增加溅射气氛中的氧含量可以有效降低氧空位浓度，从而提高i-Ga₂O₃薄膜的电阻率。

4. 器件性能测试
   研究团队使用半导体表征系统（Keithley 4200A-SCS）和单色氙灯光学系统测量了器件的光电特性。测试结果表明，Ga₂O₃:Ta-pin器件在-5 V偏压下表现出最高的响应度（386.59 mA/W）和最快的响应速度（上升时间τr=0.187 s，下降时间τd=0.093 s）。此外，该器件还表现出自供电特性，能够在0 V偏压下稳定响应254 nm紫外光。

主要结果

1. 材料性能
   Ta掺杂的n-Ga₂O₃薄膜的导电性显著提高，其电流比未掺杂的n-Ga₂O₃薄膜高出近两个数量级。i-Ga₂O₃薄膜由于氧空位浓度极低，表现出高电阻率，适合用作p-i-n异质结的界面层。

2. 器件性能
   Ga₂O₃:Ta-pin器件在-5 V偏压下的暗电流最低，整流比高达5.25×10⁵。在254 nm紫外光照射下，其光电流显著增加，响应度达到386.59 mA/W，远高于其他两种结构。此外，该器件在0 V偏压下表现出稳定的自供电特性，响应时间略长于-5 V偏压下的情况。

3. 能带结构分析
   通过能带图分析，研究团队发现插入i-Ga₂O₃层显著增加了耗尽区宽度，从而提高了光生载流子的分离效率，并降低了暗电流。

结论

该研究成功制备了一种基于p-Si/i-Ga₂O₃/n-Ga₂O₃:Ta p-i-n异质结的自供电太阳能盲区紫外光电探测器。通过引入高电阻i-Ga₂O₃层和Ta掺杂的n-Ga₂O₃薄膜，器件表现出低暗电流、高响应度和快速响应速度。该研究为低成本、高性能的Ga₂O₃基光电探测器的开发提供了新的思路。

研究亮点

1. 创新性结构设计
   通过插入高电阻i-Ga₂O₃层，显著优化了p-i-n异质结的光电性能。

2. 高性能器件
   器件在-5 V偏压下的响应度达到386.59 mA/W，响应速度（τr/τd=0.¹⁸⁷⁄₀.093 s）和自供电特性均表现出色。

3. 低成本制备工艺
   采用室温磁控溅射技术制备非晶Ga₂O₃薄膜，工艺简单且易于集成到硅基底上。

其他价值

该研究不仅为Ga₂O₃基光电探测器的性能优化提供了理论支持，还为未来在环境监测、安全通信等领域的实际应用奠定了基础。此外，研究团队提出的高电阻i-Ga₂O₃层设计思路，也为其他宽禁带半导体材料的光电器件开发提供了参考。