本研究由Shiqi Yan、Teng Jiao、Zijian Ding、Xinyu Zhou、Xingqi Ji、Xin Dong、Jiawei Zhang、Qian Xin和Aimin Song共同完成，分别来自山东大学微电子学院和吉林大学电子科学与工程学院。该研究于2023年发表在期刊《Advanced Electronic Materials》上，题为“Ga2O3 Schottky Avalanche Solar-Blind Photodiode with High Responsivity and Photo-to-Dark Current Ratio”。

学术背景

太阳能盲区光电探测器（solar-blind photodetectors）因其超低背景噪声和全天候工作能力而受到广泛关注。目前，商业化的太阳能盲区光电探测器主要基于硅材料，但需要昂贵且笨重的光学滤波器，且热稳定性和灵敏度较低。近年来，宽禁带半导体材料如MgZnO、AlGaN和Ga2O3的发展使得无需光学滤波器即可实现太阳能盲区光电探测成为可能。其中，Ga2O3因其合适的带隙（≈4.8 eV）、高热稳定性和大吸收系数被认为是最理想的候选材料。然而，实际应用中，由于环境吸收严重，探测到的太阳能盲区信号通常较弱，因此需要高响应度（responsivity, R）和高光暗电流比（photo-to-dark current ratio, PDCR）以提高探测质量和灵敏度。

研究流程

本研究基于金属有机化学气相沉积（Metal–Organic Chemical Vapor Deposition, MOCVD）在蓝宝石衬底上生长的β-Ga2O3外延薄膜，制备了平面Ti/Ga2O3/Au肖特基雪崩光电探测器（Schottky Avalanche Photodetector, APD）。研究流程包括以下几个步骤：

1. 材料制备与表征：

   • 使用MOCVD在蓝宝石衬底上生长300 nm厚的Ga2O3外延薄膜。
     
   • 通过X射线衍射（XRD）分析薄膜的晶体结构，确认薄膜的（2_01）、（4_01）和（6_01）取向。
     
   • 使用扫描电子显微镜（SEM）观察薄膜的表面形貌和横截面厚度，确认薄膜厚度为≈310 nm。
     
   • 通过X射线光电子能谱（XPS）分析薄膜的氧1s谱，确认薄膜中存在高密度的氧空位。

2. 器件制备：

   • 在Ga2O3薄膜上通过光刻技术制备叉指电极，电极的指长、指宽和间距分别为400 μm、10 μm和10 μm。
     
   • 在阴极区域使用感应耦合等离子体（ICP）预处理，然后沉积30/20 nm的Ti/Au作为欧姆接触，并在氮气氛围中350°C退火1分钟。
     
   • 沉积50 nm的Au作为肖特基阳极。

3. 电学性能测试：

   • 使用Agilent B2902A测量器件的电流-电压（I-V）特性，包括暗电流和光电流。
     
   • 在254 nm波长光照下，测量不同光功率密度下的光电流和暗电流，计算响应度、光暗电流比和外量子效率（External Quantum Efficiency, EQE）。
     
   • 通过温度依赖性测试，分析雪崩击穿电压的温度系数。

4. 时间响应特性测试：

   • 测量器件在不同光功率密度下的上升时间和衰减时间，分析其光响应速度。

主要结果

1. 材料表征结果：

   • XRD分析显示Ga2O3薄膜具有良好的晶体质量，SEM图像显示薄膜表面存在清晰的晶粒和晶界。
     
   • XPS分析表明薄膜中存在高密度的氧空位，这有助于提高光电探测器的性能。

2. 器件性能结果：

   • 在60 V反向偏压下，器件在254 nm光照下表现出高达9780.23 A W⁻¹的响应度、1.88 × 10⁷的光暗电流比和4.77 × 10⁶%的外量子效率。
     
   • 器件的雪崩增益高达1 × 10⁶，雪崩击穿电压低至2.95 V，击穿电场为0.04 MV cm⁻¹。
     
   • 时间响应特性测试显示，器件的上升时间和衰减时间分别为0.79 s和0.64 s至6.60 s和3.85 s，光响应速度随光功率密度的增加而加快。

结论

本研究成功制备了基于Ga2O3外延薄膜的高性能太阳能盲区肖特基雪崩光电探测器。器件表现出超高的响应度、光暗电流比和外量子效率，以及低雪崩击穿电压和高雪崩增益。这些优异的性能归因于有效的载流子雪崩倍增和高品质的肖特基结耗尽区。该研究为高灵敏度、高对比度的太阳能盲区光电探测提供了重要的技术基础，具有广泛的应用潜力。

研究亮点

1. 高性能光电探测器：器件在254 nm光照下表现出超高的响应度、光暗电流比和外量子效率，显著优于已报道的Ga2O3光电探测器。
   
2. 低雪崩击穿电压：器件的雪崩击穿电压低至2.95 V，击穿电场为0.04 MV cm⁻¹，适用于低功耗应用。
   
3. 高雪崩增益：器件的雪崩增益高达1 × 10⁶，显著提高了光电探测的灵敏度。
   
4. 高氧空位密度：Ga2O3薄膜中的高氧空位密度有助于提高光电探测器的性能。

其他有价值的内容

本研究还通过温度依赖性测试确认了雪崩击穿的发生，并通过时间响应特性测试分析了器件的光响应速度。这些结果为优化Ga2O3光电探测器的性能提供了重要的实验依据。