基于Fabry–Pérot微腔的Ga₂O₃ MSM-PD性能增强研究

1. 研究团队与发表信息
本研究由厦门大学电子科学与技术学院（国家示范性微电子学院）的王涛安、贺熙尧、徐浩、孙若庭，以及厦门大学化学化工学院固体表面物理化学国家重点实验室的张康梁和龙浩（通讯作者）合作完成，成果发表于2025年10月的《Optics Letters》第50卷第19期。论文标题为《Enhanced Performance of Ga₂O₃-Based MSM-PD by Fabry–Pérot Microcavity》。

2. 学术背景与研究目标
太阳能盲区紫外光电探测器（Solar-blind UVC PDs）在环境监测、生物成像、火焰探测和空间通信等领域具有不可替代的技术价值。传统基于Si、SiC、AlGaN等材料的探测器因窄带隙或晶体质量等问题，存在探测率（detectivity）、波长选择性（wavelength selectivity）和响应时间（response time）的局限。而β-Ga₂O₃因其超宽带隙（~4.9 eV）和优异的稳定性成为理想材料，但其金属-半导体-金属结构（MSM-PD）的性能仍需优化。本研究旨在通过光学结构设计——在蓝宝石衬底与Ga₂O₃外延层间引入分布式布拉格反射镜（DBR），形成Fabry–Pérot（FP）微腔，选择性增强UVC波段光子态密度（DOS），从而提升器件性能。

3. 研究流程与方法
3.1 材料制备与器件构建
- DBR结构制备：采用电子束蒸发法在蓝宝石衬底上沉积12对HfO₂/SiO₂薄膜，中心波长设计为260 nm，形成UVC波段高反射镜。
- Ga₂O₃薄膜生长：通过脉冲激光沉积（PLD）在600°C、1 Pa氧气压力下于DBR上生长180 nm厚的β-Ga₂O₃薄膜（标记为GO-DBR），对照组为直接生长在蓝宝石上的Ga₂O₃（GO-S）。
- 器件加工：通过光刻和磁控溅射在Ga₂O₃表面制备Ti/Au（20 nm/100 nm）叉指电极，形成MSM-PD器件（PD-DBR和PD-S）。

3.2 表征与测试
- 结构表征：X射线衍射（XRD）显示GO-DBR为多晶结构，而GO-S为[2̄01]取向单晶；扫描电镜（SEM）证实薄膜均匀性。
- 光学性能：紫外-可见分光光度计测试显示，GO-DBR在UVC波段（250 nm）透射率仅为0.33%，吸收率高达99.7%，显著优于GO-S的40%。
- 电学性能：Keithley 2450测试I-V特性，PD-DBR的暗电流低至1.2 nA（10 V偏压），探测率（D*）达5.4×10¹¹ Jones，比PD-S提高1.4倍。
- 光谱响应：PD-DBR在251 nm处选择性比（R₂₅₁/R₃₆₀）达1.6×10⁴，较PD-S提升29.4倍；响应时间（τᵣ=0.72 s，τ_d=0.10 s）显著缩短。

4. 主要结果与逻辑关联
- DBR的光学调控作用：模拟与实验证实，DBR与Ga₂O₃/空气界面形成的FP微腔通过Purcell效应增强UVC光子局域化，提升目标波段吸收效率（图3）。
- 多晶结构的双刃剑效应：GO-DBR的多晶特性虽降低电子迁移率（导致响应度较低），但缺陷态加速载流子复合，缩短衰减时间。
- 性能平衡：通过DBR设计，器件在探测率、选择性和响应速度间取得优化平衡，克服了传统Ga₂O₃ MSM-PD的性能瓶颈。

5. 研究结论与价值
本研究提出了一种创新的光学工程策略，通过DBR构建FP微腔，首次实现Ga₂O₃ MSM-PD的UVC光子态密度选择性调控。器件性能的显著提升（选择性比29.4倍提升、探测率1.4倍优化）为高精度太阳能盲探测提供了新思路，同时为半导体光电器件的光学调控技术开辟了实用化路径。

6. 研究亮点
- 方法创新：首次将DBR-FP微腔应用于Ga₂O₃ MSM-PD，突破传统依赖材料本征特性的性能优化局限。
- 性能突破：实现1.6×10⁴的UVC/UVB选择性比，为同类器件最高报道值之一。
- 跨学科意义：融合光学微腔设计与半导体工艺，为宽禁带半导体器件的性能调控提供普适性方案。

7. 其他价值
研究还指出，未来通过优化DBR结晶质量和Ga₂O₃外延工艺，可进一步提升响应度。数据可通过合理请求获取，为后续研究提供参考。