高性能自供电β-Ga₂O₃:Si/p-GaN异质结紫外光电探测器的研究

作者及发表信息
本研究由越南科学技术研究院物理研究所的Thi Kim Oanh Vu（第一作者兼通讯作者）、Hai Bui Van等合作者，与韩国汉阳大学的Eun Kyu Kim（共同通讯作者）团队共同完成，发表于2025年3月的期刊《Materials Science in Semiconductor Processing》（卷193，文章编号109479）。

学术背景
紫外（UV）光电探测器在环境监测、军事追踪、光通信等领域具有重要应用。传统光电探测器需外接电源，而自供电（self-powered）器件可摆脱这一限制，适用于远程或能源受限环境。然而，现有材料如Si（窄带隙需滤光片）、AlGaN（外延质量差）、钙钛矿（稳定性不足）等存在局限性。β-Ga₂O₃因其宽带隙（4.9 eV）、高热稳定性及低成本成为理想候选材料，但p型Ga₂O₃制备困难。本研究通过构建β-Ga₂O₃:Si/p-GaN异质结，结合脉冲激光沉积（PLD）技术，优化氧压参数，实现了高性能自供电深紫外（DUV）探测器。

研究流程

1. 材料制备

   • p-GaN层生长：在c面蓝宝石衬底上通过溅射技术沉积500 nm厚的p-GaN薄膜，工作压力7.5 mTorr，功率120 W。
     
   • β-Ga₂O₃:Si薄膜沉积：采用PLD系统（Nd:YAG激光器，波长266 nm），以掺杂0.1 wt% Si的Ga₂O₃为靶材，在400°C基底温度下沉积薄膜。通过调控氧压（0–40 mTorr）制备5组样品（S1–S5），后经800°C退火处理。
     

2. 表征与分析

   • 结构表征：X射线衍射（XRD）显示所有样品均出现β-Ga₂O₃的（020）晶面峰，晶粒尺寸约15 nm，氧压对结晶性影响较小。
     
   • 形貌分析：扫描电镜（SEM）显示，低氧压（≤10 mTorr）样品表面光滑，而高氧压（20–40 mTorr）样品出现裂纹，归因于氧分子碰撞导致的团簇形成。
     
   • 化学组成：X射线光电子能谱（XPS）证实，随氧压升高，Ga-O键比例增加，氧空位减少，Si氧化态从Si³⁺向Si⁴⁺转变（Si 2s峰蓝移至155 eV）。
     

3. 器件制备与测试

   • 电极制作：在Ga₂O₃:Si和p-GaN上分别蒸镀Ti/Au（30/70 nm）和Au（100 nm）电极。
     
   • 光电性能：在254 nm紫外光下测试电流-电压（I-V）特性。S2（5 mTorr氧压）性能最优：暗电流0.6 nA，光电流0.47 μA，响应度（photoresponsivity）24.4 mA/W，探测率（detectivity）2.45×10¹¹ cm·Hz¹/²/W。
     

主要结果
1. 氧压对性能的影响：
- 低氧压（5 mTorr）下，适度的氧空位和Si掺杂浓度平衡了载流子分离效率与暗电流抑制，S2表现出最高响应度。
- 高氧压（≥20 mTorr）导致SiO₂形成增多，耗尽层变宽，光电流下降，但暗电流进一步降低（S5暗电流仅0.05 nA）。

1. 能带机制：

   • β-Ga₂O₃/p-GaN异质结为Ⅰ型能带对齐（导带偏移0.1 eV，价带偏移1.4 eV），内置电场促进光生载流子分离，实现自供电。
     

2. 响应速度：

   • S5因低缺陷密度表现出最快衰减时间（3.5 ms），而S2因较高暗电流存在持久光电导效应（PPC，衰减时间0.93 s）。
     

结论与价值
本研究通过精确调控氧压，制备出高性能自供电紫外探测器，S2器件在0 V偏压下兼具高响应度与低噪声。科学价值在于揭示了氧空位与Si掺杂对Ga₂O₃/p-GaN异质结性能的协同调控机制；应用价值为开发低功耗紫外探测系统（如环境监测、光通信）提供了新思路。

研究亮点
1. 创新方法：首次将PLD氧压控制与Si掺杂结合，优化Ga₂O₃薄膜质量。
2. 性能突破：S2器件的探测率优于多数同类自供电探测器（如文献报道的SnO₂/Si器件208 mA/W）。
3. 机制阐释：通过XPS和能带分析，明确了氧压-氧空位-器件性能的定量关系。

其他价值
该研究为后续开发太阳能盲紫外探测器（solar-blind photodetectors）提供了工艺参考，并可通过能带工程进一步优化异质结设计。