本文档属于类型a，即报告了一项原创性研究的学术论文。以下是该研究的学术报告：
主要作者及研究机构
本研究的作者包括Qingyi Zhang、Dianmeng Dong（IEEE学生会员）、Shiguang Liu、Yi Zhang、Hao Sun、Fan Zhang和Zhenping Wu。研究团队来自华北光电研究所和北京邮电大学信息光子学与光通信国家重点实验室。该研究发表于2025年4月1日的《IEEE Sensors Journal》第25卷第7期。
学术背景
紫外光电探测器（UV PDs），特别是工作在太阳盲区（200-280 nm）的探测器，在环境监测、火焰探测、空间探索和通信系统中具有重要应用。传统的光电倍增管（PMTs）虽然灵敏度高，但其体积大、易碎且工作电压高，限制了其应用。基于半导体的雪崩光电探测器（APDs）具有低工作电压、体积小和性能稳定等优势，但硅的窄带隙限制了其紫外探测能力。宽带隙半导体如氮化镓（GaN）和氧化镓（Ga2O3）因其高紫外灵敏度和低暗电流而展现出巨大潜力。本研究旨在开发一种基于β-Ga2O3/GaN/Si异质结构的高性能紫外雪崩光电探测器，以解决现有技术的局限性。
研究流程
1. 样品制备
研究使用商业化的GaN外延层沉积在10×10 mm²的n型Si衬底上，GaN层厚度约为2 µm。随后，通过磁控溅射法在GaN层上沉积300 nm厚的β-Ga2O3薄膜，溅射条件包括1 Pa的总压力、24 sccm的气体流速和750°C的沉积温度。在β-Ga2O3薄膜上定义了100×100 µm²的活性区域，并在顶部沉积了直径为30 µm的Au/Ti电极，同时在Si衬底背面沉积了100 nm的金层以形成欧姆接触。
材料表征
使用X射线衍射仪（XRD）分析了GaN和β-Ga2O3薄膜的晶体结构，结果显示GaN和β-Ga2O3均具有高结晶度。通过原子力显微镜（AFM）表征了β-Ga2O3薄膜的表面形貌，其均方根粗糙度小于5 nm，表明表面均匀性良好。X射线光电子能谱（XPS）分析了β-Ga2O3的化学键合状态，确认了其化学组成和价带谱。
光电性能测试
使用255 nm的高功率UV LED作为光源，通过Keithley 4200 SCS半导体分析仪测量了器件在不同辐射强度下的光响应I-V特性。光谱响应测试使用氙灯和单色仪进行，噪声谱密度特性通过FS380 Pro系统评估。
主要结果
1. 材料表征结果
XRD结果显示GaN和β-Ga2O3薄膜均具有高结晶度，AFM结果显示β-Ga2O3薄膜表面均匀，XPS分析确认了其化学组成和价带谱。
结论
本研究成功制备了一种基于β-Ga2O3/GaN/Si异质结构的高性能紫外雪崩光电探测器。该器件具有极低的暗电流、高增益和高响应率，且与标准CMOS工艺兼容，为紧凑型光电集成系统提供了新的解决方案。
研究亮点
1. 开发了一种新型的β-Ga2O3/GaN/Si异质结构紫外雪崩光电探测器。
2. 器件表现出极低的暗电流（<1 pA）和高增益（>8.5×10³）。
3. 器件的最大响应率达到7×10³ A/W，探测率超过1×10¹⁴ Jones。
4. 该器件与CMOS工艺兼容，具有广泛的应用前景。
其他有价值的内容
本研究还详细探讨了器件的工作机制，包括在反向偏压下的载流子输运行为和雪崩倍增过程。通过能带工程和晶格匹配，成功实现了高性能的紫外光电探测器，为未来的光电集成系统提供了新的研究方向。