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超宽禁带氧化镓（Ga₂O₃）β/κ相异质结的II型能带排列及其自供电深紫外探测应用

作者与机构
本研究由Yi Lu、Patsy A. Miranda Cortez、Xiao Tang、Zhiyuan Liu、Vishal Khandelwal、Shibin Krishna和Xiaohang Li*（通讯作者）共同完成，研究团队来自沙特阿拉伯阿卜杜拉国王科技大学（KAUST）的先进半导体实验室。论文发表于《Advanced Materials》期刊，2025年1月在线发表，DOI编号为10.1002/adma.202406902。

学术背景
氧化镓（Ga₂O₃）作为一种超宽禁带半导体（UWBG，禁带宽度≈5 eV），在深紫外（DUV）光电子学和高功率电子器件中具有重要应用潜力。尽管Ga₂O₃存在多种晶相（α、β、γ、δ、ε和κ），但由于外延生长挑战和传统研究忽视，不同晶相间的能带排列长期未被系统研究。β相（单斜结构）因热力学稳定性最受关注，而κ相（正交结构）则因其优异的结晶质量和极化特性成为新兴研究对象。本研究首次通过实验证实了β-Ga₂O₃/κ-Ga₂O₃“相异质结”（Phase Heterojunction, PHJ）的II型能带排列，并揭示了其在自供电DUV探测中的独特优势。

研究流程与方法
1. 材料生长与表征
- 外延生长：采用脉冲激光沉积（PLD）技术，在蓝宝石衬底上依次生长κ-Ga₂O₃（200 nm）和β-Ga₂O₃（200 nm）。κ相生长使用Ga₂O₃:SnO₂:SiO₂（98.4:1.5:0.1 wt%）靶材，通过Sn催化剂诱导κ相形成；β相生长采用非故意掺杂Ga₂O₃靶材，氧气氛围（5 mTorr）下完成。
- 结构分析：X射线衍射（XRD）显示κ-Ga₂O₃(002)和β-Ga₂O₃(−201)峰分离明显，证实两相独立存在。二次离子质谱（SIMS）显示Sn和Si元素在界面处富集，表明界面清晰。高分辨透射电镜（HR-TEM）进一步证实原子级陡峭界面，两相外延关系为<001> κ-Ga₂O₃ || <−201> β-Ga₂O₃。

1. 能带偏移测量

   • X射线光电子能谱（XPS）：通过Kraut方法计算价带偏移（ΔEv）。测得κ-Ga₂O₃和β-Ga₂O₃的价带顶（VBM）分别为2.36 eV和3.01 eV，ΔEv≈0.65 eV。
     
   • 紫外-可见光谱（UV-Vis）：通过Tauc图确定κ相和β相的禁带宽度分别为5.0 eV和4.94 eV，结合ΔEv推导出导带偏移（ΔEc≈0.71 eV），证实II型能带排列（导带和价带均存在显著偏移）。
     

2. 器件制备与性能测试

   • 光电器件设计：制备准垂直结构光电探测器（PD），电极采用Ti/Au（20/180 nm）欧姆接触，有效面积0.119 mm²。
     
   • 自供电性能：在零偏压下，β/κ异质结PD的光电流（240 nm光照）比单一β相或κ相PD高三个数量级，响应度达17.8 mA/W，上升/下降时间为0.21 s/0.53 s。
     
   • 偏压依赖性：在10 V偏压下响应度提升至169 A/W，整流比达87.8，证实界面内建电场的存在。
     

主要结果与逻辑链条
1. 界面特性：HR-TEM和XRD证明β/κ异质结具有原子级锐利界面，晶格失配仅4.82%，优于传统β-Ga₂O₃/蓝宝石体系（6.6%）。
2. 能带工程价值：II型排列（ΔEv=0.65 eV，ΔEc=0.71 eV）产生的内建电场有效分离光生载流子，这是自供电性能的核心机制。
3. 器件优势：与混合相α/β-Ga₂O₃器件相比，β/κ异质结PD的响应度和开关比（580.8）显著更高，归因于单晶界面缺陷少、载流子复合率低。

结论与价值
1. 科学意义：首次实验揭示了Ga₂O₃多晶相异质结的能带排列规律，为超宽禁带半导体的能带工程提供了新思路。
2. 应用潜力：自供电DUV探测器可应用于军事侦察、环境监测等领域，无需外部电源的特性适合物联网和便携式设备。
3. 方法论创新：Sn催化外延技术为κ-Ga₂O₃的高质量生长提供了可靠方案，Si掺杂补偿效应降低了暗电流。

研究亮点
1. 创新性发现：β/κ-Ga₂O₃的II型能带排列此前仅存在理论预测，本研究通过XPS和HR-TEM提供了直接实验证据。
2. 技术突破：PLD生长实现了两相界面的精确控制，避免了传统退火法导致的相混合问题。
3. 性能标杆：零偏压响应度（17.8 mA/W）和响应速度（<0.53 s）优于多数报道的Ga₂O₃同质/异质结器件。

其他价值
研究还指出，Ga₂O₃多晶相异质结（如α/γ、ε/δ等）的进一步探索可能催生新型光电器件，例如极化调控晶体管或自驱动传感器。团队提出的“相异质结”概念可扩展至其他多晶相材料体系（如TiO₂、Bi₂O₃），为能带设计提供普适性策略。

该报告全面覆盖了研究的背景、方法、结果和意义，符合学术传播的严谨性要求。