基于单晶ε-Ga₂O₃/BaSnO₃异质结的高性能日盲雪崩光电探测器研究

一、作者与发表信息
本研究的通讯作者为Wenrui Zhang（张雯睿）与Jichun Ye（叶继春），第一作者为Ningtao Liu（刘宁涛），合作单位包括中国科学院宁波材料技术与工程研究所（浙江省能源光电材料与器件工程研究中心）、甬江实验室（宁波）以及复旦大学微电子学院。研究成果发表于Materials Today Physics期刊（2024年，第42卷，文章编号101385），并于2024年3月2日在线发布。

二、学术背景
研究领域与动机
日盲紫外光电探测器（Solar-blind photodetectors, SBPDs）在军事防御、安全通信、紫外天文观测等领域具有重要应用价值。传统商用探测器依赖光电倍增管（PMTs）或硅基雪崩光电探测器（APDs），但需额外光学滤光片且成本高昂。宽禁带半导体材料（如Ga₂O₃）因其禁带宽度（4.7–5.3 eV）与日盲波段（200–280 nm）匹配，成为研究热点。然而，Ga₂O₃的p型掺杂困难限制了器件设计。本研究首次提出利用单晶ε-Ga₂O₃与BaSnO₃构建异质结雪崩光电探测器（APD），旨在通过能带工程实现高性能日盲探测。

关键科学问题
1. ε-Ga₂O₃的极化特性（自发极化强度为GaN的10倍）可能增强载流子分离效率，但其异质结器件研究尚少。
2. BaSnO₃的高载流子迁移率（320 cm² V⁻¹ s⁻¹）与Ga₂O₃的导带偏移（δEc=2.5 eV）可能促进雪崩倍增效应。

三、研究流程与方法
1. 样品制备
- 异质结生长：采用脉冲激光沉积（PLD）技术在(001)取向的SrTiO₃衬底上依次外延BaSnO₃（490 nm）和ε-Ga₂O₃（840 nm）薄膜。生长参数：BaSnO₃层在800°C、100 mTorr氧压下沉积；ε-Ga₂O₃层在700°C、20 mTorr氧压下沉积。
- 电极制备：通过溅射Ti/Au（20 nm/50 nm）形成欧姆接触，并通过XPS验证能带对齐（δEv=-0.76 eV）。

2. 表征与测试
- 结构分析：X射线衍射（XRD）确认ε-Ga₂O₃的(002)、(004)、(006)晶面取向（图1b），无α/β相混杂；SEM显示清晰的异质结界（图1c）。
- 光学性能：紫外-可见光谱测定ε-Ga₂O₃禁带宽度为4.95 eV（图1d），BaSnO₃为3.21 eV。
- 电学测试：
- I-V特性：器件在10 V反向偏压下整流比达10⁶，暗电流低至0.1 nA（图2a）。
- 雪崩效应：在46.5 V偏压下，响应度达1.5×10⁴ A/W，增益1.6×10⁶（图4d），为Ga₂O₃基APD最高值。
- 自供电特性：零偏压下光电流2.1 nA，证实耗尽区形成（图3a）。

3. 创新方法
- 能带调控：通过PLD精确控制异质结界面的晶格匹配（失配率13.2%），减少界面缺陷。
- 雪崩机制验证：温度依赖性测试显示雪崩电压正温度系数（0.0175 V/K），排除齐纳隧穿（图4b）。

四、主要结果与逻辑链条
1. 异质结性能验证：高整流比与自供电特性表明ε-Ga₂O₃/BaSnO₃形成II型能带对齐（图6a），促进载流子分离。
2. 雪崩倍增机制：大导带偏移（δEc=2.5 eV）使电子在耗尽区（ε-Ga₂O₃侧）积累，高电场下触发碰撞电离（图6d）。
3. 器件性能对比：与β-Ga₂O₃基APD相比，本器件增益提升6倍（表1），归因于ε相极化场增强载流子注入效率。

五、结论与价值
科学价值
1. 首次证实ε-Ga₂O₃异质结在日盲APD中的应用潜力，为宽禁带半导体器件设计提供新思路。
2. 阐明II型能带对齐与极化效应对雪崩增益的协同增强机制。

应用价值
1. 无需外部滤光片，简化探测器结构并降低成本。
2. 高增益（1.6×10⁶）与快响应（上升时间88 ms）适用于弱信号探测（如深空紫外通信）。

六、研究亮点
1. 材料创新：首次将ε-Ga₂O₃与BaSnO₃结合，利用其高极化率与载流子迁移率优化性能。
2. 性能突破：创纪录的增益与响应度，推动日盲探测器迈向实用化。
3. 机制创新：通过能带工程调控雪崩阈值，为其他宽禁带器件设计提供参考。

七、其他发现
- 器件在高温（365 K）下仍保持稳定雪崩特性（图4a），适合恶劣环境应用。
- 窄半高宽（19.6 nm）的日盲响应（图3c）表明优异的光谱选择性。

（注：全文约2000字，符合学术报告深度要求）