基于半金属Bi电极的高探测率日盲β-Ga₂O₃光电探测器研究

一、研究团队与发表信息
本研究由湖北大学微电子与集成电路研究所的孙启航、魏家云、韩伟（通讯作者）等团队主导，合作单位包括郑州大学物理与微电子学院、湖北大学材料科学与工程学院及JFS实验室。研究成果发表于Elsevier旗下期刊《Surfaces and Interfaces》第60卷（2025年），文章标题为《Solar-blind β-Ga₂O₃ photodetectors with high detectivity via semimetal Bi contacts》，DOI号为10.1016/j.surfin.2025.106052。

二、学术背景与研究目标
日盲紫外（Solar-blind UV, SBUV）光电探测器在臭氧层空洞监测、火焰探测和电晕检测等领域具有重要应用价值。β-Ga₂O₃因其超宽禁带（4.4–4.9 eV）、高击穿场强（7–8 MV/cm）和环境稳定性成为理想材料，但传统金属电极（如Ti/Au）与Ga₂O₃界面存在的金属诱导间隙态（Metal-Induced Gap States, MIGS）导致费米能级钉扎（Fermi-level pinning），限制了器件性能。本研究旨在通过接触工程（contact engineering）设计基于半金属铋（Bi）电极的欧姆接触，以抑制MIGS，提升探测器性能。

三、研究方法与流程
1. 材料制备
- β-Ga₂O₃薄膜生长：采用金属有机化学气相沉积（MOCVD）技术在蓝宝石衬底上生长单晶β-Ga₂O₃薄膜，生长温度800°C，压力40 Torr，厚度200 nm–5 μm。
- Bi电极沉积：通过真空蒸镀法在Ga₂O₃表面沉积Bi电极，厚度优化为80 nm，形成1.32×10⁻⁴ cm²的导电通道。

1. 结构表征

   • 界面分析：高角度环形暗场扫描透射电镜（HAADF-STEM）和能量色散X射线谱（EDS）显示Bi/Ga₂O₃界面清洁无悬挂键（dangling-bond-free）。
     
   • 晶体学验证：高分辨透射电镜（HRTEM）证实Bi为[110]取向的单晶，通过范德瓦尔斯外延（van der Waals epitaxy）与Ga₂O₃[−201]晶向匹配。
     

2. 光电性能测试

   • 电流-电压特性：在254 nm紫外光（6–87 μW/cm²）照射下，Bi/Ga₂O₃器件表现出线性欧姆接触，暗电流低至1.32×10⁻¹¹ A（30 V偏压）。
     
   • 响应参数：通过空间电荷限制电流（SCLC）模型计算界面陷阱密度（Bi接触为1.31×10¹⁴ cm⁻³，远低于Au接触的2.06×10¹⁴ cm⁻³）。
     

3. 成像实验

   • 构建5×5阵列器件，在6 μW/cm²弱光下成功实现“H”形紫外图案成像，验证实际应用潜力。
     

四、主要研究结果
1. 界面特性：Bi/Ga₂O₃界面无化学键合，MIGS显著抑制，费米能级钉扎效应减弱，形成理想欧姆接触（图1b）。
2. 光电性能：
- 响应度（Responsivity）达720 A/W（6 μW/cm²），比探测率（Specific detectivity）为4.35×10¹⁵ Jones，外量子效率（EQE）高达3521%。
- 响应时间（46 ms上升/112 ms下降）优于传统Pt/Au电极器件（图5b vs 图8e-f）。
3. 机理分析：Bi的费米能级（4.1 eV）略高于Ga₂O₃电子亲和能（4.0 eV），能带向下弯曲，降低界面势垒（图3g）。

五、研究结论与价值
本研究通过半金属Bi电极设计，解决了Ga₂O₃器件中MIGS导致的性能瓶颈，实现了迄今报道的最高探测率（4.35×10¹⁵ Jones）和响应度（720 A/W）。其科学价值在于：
1. 提出范德瓦尔斯外延电极新策略，为宽禁带半导体界面工程提供普适方法；
2. 推动日盲紫外探测器向商业化应用迈出关键一步，尤其适用于弱光探测场景（如深空通信）。

六、研究亮点
1. 创新性方法：首次将半金属Bi用于Ga₂O₃欧姆接触，通过原子级清洁界面抑制MIGS。
2. 性能突破：探测率比同类器件（如Au/β-Ga₂O₃的1.9×10¹² Jones）高3个数量级（表1）。
3. 多学科交叉：结合材料生长（MOCVD）、界面物理（TEM表征）与器件工程（SCLC模型）。

七、其他发现
1. 电极厚度优化实验表明80 nm Bi性能最佳（图8a-b）；
2. 阵列成像验证了器件在紫外光电集成系统中的实用性（图9d）。

本研究为下一代高性能日盲探测器提供了可扩展的制备方案，相关技术已申请中国国家自然科学基金（22105162）和湖北省重点项目（2023BAA009）支持。