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高性能场控β-Ga₂O₃光电探测器的研究：通过p型NiO中间层实现性能增强
作者及单位：
第一作者Zeyulin Zhang及合作团队来自西安电子科技大学宽带隙半导体器件与集成技术国家重点实验室（State Key Laboratory of Wide-Bandgap Semiconductor Devices and Integrated Technology, Xidian University），部分合作者来自新加坡国立大学（National University of Singapore）。研究发表于Journal of Alloys and Compounds，2025年5月20日在线发表，卷1031，文章编号181097。
学术背景
研究领域：宽禁带半导体（Wide-Bandgap Semiconductor）与紫外光电探测器（UV Photodetector）。
科学问题：β-Ga₂O₃（氧化镓）因其4.9 eV的禁带宽度，天然具备日盲紫外（Solar-Blind UV，200–280 nm）吸收特性，是高性能紫外探测器的理想材料。然而，β-Ga₂O₃存在两个关键瓶颈：
1. p型掺杂困难：难以形成同质p-n结，导致载流子复合率高；
2. 异质结界面缺陷：传统异质结（如NiO/β-Ga₂O₃）因晶格失配引入高复合中心，降低器件性能。
研究目标：通过雾化学气相沉积（Mist-CVD）生长高质量单晶NiO/β-Ga₂O₃异质结，利用p型NiO的耗尽区电场调控载流子传输路径，避开界面缺陷区域，从而提升探测器性能。
研究流程与方法
1. 材料制备
- 衬底与生长：采用2英寸c面蓝宝石衬底，通过Mist-CVD外延生长NiO和β-Ga₂O₃薄膜。
- 前驱体：NiO使用乙酰丙酮镍（Nickel Acetylacetonate），β-Ga₂O₃使用乙酰丙酮镓（Ga(acac)₃）。
- Li⁺掺杂调控：在NiO前驱体中掺入不同浓度（0%、1%、5%）的LiOH，调节空穴浓度（实验测得1% Li⁺掺杂时空穴浓度达2.485×10¹⁸ cm⁻³）。
- 厚度控制：NiO层约140 nm，β-Ga₂O₃层约390 nm，通过生长时间精确调控。
2. 器件制备
- 光刻与电极沉积：标准光刻工艺后，通过电子束蒸发沉积Ti/Au（60/120 nm）金属电极，形成金属-半导体-金属（MSM）结构探测器。
3. 表征与测试
- 结构表征：
- X射线衍射（XRD）：确认单晶异质结结构（β-Ga₂O₃的(-201)峰与NiO的(111)峰）。
- 扫描电镜-能谱（SEM-EDS）：显示Ni、Ga、O元素的空间分布，验证异质结界面质量。
- 透射电镜（TEM）：界面晶格间距测量（β-Ga₂O₃ (-201)面间距0.46 nm，NiO (111)面间距0.24 nm）。
- 光电性能测试：
- 响应度（Responsivity, R）与探测率（Detectivity, D*）：在254 nm紫外光（500 μW/cm²）下，测试电流-电压特性，计算R和D*（公式1-2）。
- 时间响应：通过双指数弛豫方程（公式3）拟合上升/衰减时间。
4. 仿真验证
- Silvaco TCAD模拟：分析不同Li⁺掺杂浓度下异质结的耗尽区宽度与电场分布，验证载流子输运机制。
主要结果
- 最优性能器件：1% Li⁺掺杂NiO/β-Ga₂O₃探测器在-10 V偏压下实现：
- 响应度（R）：1002.5 A/W（比无NiO层器件提升50倍）；
- 探测率（D*）：3.31×10¹⁵ Jones（Jones为探测率单位），达到目前报道的β-Ga₂O₃探测器领先水平（对比MBE生长器件的~10¹⁶ Jones）。
- 载流子调控机制：
- NiO耗尽区电场驱动光生载流子远离界面缺陷区域，降低复合率（图1b）。
- 过量Li⁺掺杂（5%）导致NiO薄膜质量下降，性能反降（R仅9.97 A/W）。
- 时间响应：上升时间1.15 s（快分量0.13 s），衰减时间1.26 s（快分量0.17 s），表明载流子分离效率高。
结论与价值
科学意义：
- 提出了一种通过p型NiO中间层场控优化β-Ga₂O₃探测器性能的新策略，解决了界面复合问题。
- 证实Mist-CVD可低成本制备高质量单晶异质结，为宽禁带半导体器件提供新工艺路线。
应用价值：
- 该探测器无需光学滤光片即可实现日盲紫外探测，适用于军事侦察、火焰监测、臭氧层监测等领域。
- 工艺兼容性强，有望推动β-Ga₂O₃光电器件的产业化。
研究亮点
- 创新方法：首次将Mist-CVD用于NiO/β-Ga₂O₃单晶异质结生长，结合Li⁺掺杂精准调控空穴浓度。
- 性能突破：响应度超1000 A/W，探测率达10¹⁵ Jones量级，媲美高成本MBE工艺器件。
- 机制揭示：通过实验与仿真阐明耗尽区电场对载流子输运的调控作用，为类似异质结设计提供理论指导。
其他有价值内容
- 缺陷抑制：XPS显示NiO层未显著影响β-Ga₂O₃的Ga:O化学计量比（接近2:3），表明界面缺陷可控。
- 普适性验证：该方法可扩展至其他p型氧化物（如Cu₂O）与β-Ga₂O₃的异质结设计。
（注：全文数据及图表详见原文献图2-4及附表1-2。）