本文介绍了一项关于基于单晶ε-Ga₂O₃/Sn掺杂In₂O₃（ITO）异质结的高性能深紫外光电探测器（DUV PD）的研究。该研究由Shudong Hu等人完成，并于2025年发表在《Journal of Physics D: Applied Physics》期刊上。研究团队来自中国科学院合肥物质科学研究院强磁场科学中心、中国科学技术大学以及中国科学院宁波材料技术与工程研究所。

研究背景

深紫外光（DUV）波长范围为200至280纳米，由于臭氧层的吸收和散射，DUV光在地球表面几乎不存在。因此，DUV光电探测器能够有效避免太阳光的干扰，在环境监测、生物医学、国家安全和远程通信等领域具有重要应用前景。然而，传统的硅基DUV光电探测器由于硅的窄带隙，依赖于昂贵的滤光片，增加了设备成本和复杂性。近年来，基于超宽带隙材料（如ZnMgO、AlGaN、金刚石、ZnGa₂O₄和Ga₂O₃）的DUV光电探测器逐渐受到关注。其中，Ga₂O₃因其直接超宽带隙（4.5至5.3电子伏特）、高击穿电场以及优异的化学和热稳定性，成为制备DUV光电探测器的理想材料之一。

研究目标

本研究旨在通过脉冲激光沉积（PLD）技术制备单晶ε-Ga₂O₃/ITO异质结，并基于此结构构建高性能DUV光电探测器。研究的目标是探索ε-Ga₂O₃在ITO上的高质量集成及其在DUV光电探测器中的应用潜力。

实验方法

研究团队使用PLD技术在c面蓝宝石单晶基底上制备了ε-Ga₂O₃/ITO双层外延结构。实验中，基底温度保持在800°C，使用的靶材分别为1 mol% Sn掺杂的Ga₂O₃靶和10 mol% Sn掺杂的In₂O₃靶。通过高分辨率X射线衍射（XRD）、透射电子显微镜（TEM）、原子力显微镜（AFM）和扫描电子显微镜（SEM）等手段对薄膜的晶体结构、表面形貌和光学特性进行了系统表征。光电探测器的电流-电压（I-V）和电流-时间（I-t）特性通过Keithley 4200半导体参数分析仪进行测试。

实验结果

XRD分析表明，ε-Ga₂O₃薄膜为纯ε相单晶结构，表面粗糙度仅为1.08纳米。TEM和EDX分析进一步证实了薄膜的均匀性和高质量。光电探测器在15 V反向偏压下表现出优异的光电性能，响应度高达506 A/W，紫外/可见光抑制比达到6.74 × 10⁴，下降时间为40毫秒。此外，器件在零偏压下能够自供电运行，进一步验证了ε-Ga₂O₃/ITO异质结中耗尽区的存在。

结论

研究结果表明，ε-Ga₂O₃在ITO上的高质量集成具有显著的应用潜力，为开发高性能Ga₂O₃基DUV光电探测器提供了新的策略。该研究不仅展示了ε-Ga₂O₃/ITO异质结在DUV光电探测器中的优异性能，还为未来优化器件性能提供了重要参考。

研究亮点

1. 高性能DUV光电探测器：在15 V反向偏压下，器件表现出高响应度、优异的紫外/可见光抑制比和快速响应时间。
2. 自供电模式：器件在零偏压下能够自供电运行，验证了耗尽区的存在。
3. 高质量单晶ε-Ga₂O₃薄膜：通过PLD技术成功制备了高质量单晶ε-Ga₂O₃薄膜，展示了其在DUV光电探测器中的巨大潜力。

研究意义

该研究不仅推动了ε-Ga₂O₃在DUV光电探测器中的应用，还为未来开发高性能、低成本的DUV光电探测器提供了新的思路。研究结果对深紫外光电探测器的设计和优化具有重要的科学和应用价值。