基于反向替代生长法制备的β-Ga₂O₃/GaN异质结高性能紫外光电探测器研究
作者及发表信息
本研究由Yurui Han、Yuefei Wang、Chong Gao等团队完成，通讯作者为Bingsheng Li（东北师范大学紫外光发射材料与技术教育部重点实验室）和Aidong Shen（纽约市立学院电气工程系）。成果发表于《Journal of Materials Science & Technology》2025年第225卷，页码141-150。
学术背景
紫外光电探测器（UV Photodetector, PD）在安全预警、火焰探测等领域具有重要应用需求。传统光电倍增管（PMT）虽灵敏度高，但体积大、成本高。宽禁带半导体（如GaN、β-Ga₂O₃）因其优异的紫外吸收特性成为替代材料，但现有器件性能（如探测率D*）仍低于PMT。β-Ga₂O₃/GaN异质结因晶格失配小（4.4%）、低温生长兼容性及化学蚀刻可行性备受关注。然而，传统异质结中n型β-Ga₂O₃与p型GaN的界面势垒限制了载流子传输效率。本研究提出一种反向替代生长法，通过高温氧替代GaN表层氮原子生成β-Ga₂O₃，并系统探究了GaN晶体质量对β-Ga₂O₃性能的影响，最终实现了超高探测率（>10¹⁶ Jones）和快速响应（微秒级）的紫外探测器。
研究流程与实验方法
1. 材料制备与表征
- GaN基底选择：采用MOCVD技术在Al₂O₃、SiC和单晶GaN衬底上生长非掺杂本征GaN薄膜，通过X射线衍射（XRD）和光致发光（PL）表征晶体质量。结果显示，单晶GaN的螺位错密度最低（8.4×10⁶ cm⁻²），Al₂O₃衬底上GaN缺陷密度最高（5.5%深能级发射比例）。
- 反向替代生长β-Ga₂O₃：将GaN样品在1000°C氧气环境中氧化，通过XRD和X射线光电子能谱（XPS）确认生成的β-Ga₂O₃为单斜晶系（201）择优取向，且氧空位浓度与GaN晶体质量负相关（GaN/gan样品氧空位比例最低，22.4%）。
- 界面分析：透射电镜（TEM）揭示界面存在5 nm厚的六方相GaNₓO₃(1−x)/₂过渡层，证实了氧替代氮的分子重构过程。
主要结果与逻辑关联
1. 晶体质量传递效应：GaN的缺陷密度直接影响β-Ga₂O₃的氧空位浓度和表面粗糙度（AFM显示GaN/gan样品RMS粗糙度仅5.4 nm）。低缺陷GaN生成的β-Ga₂O₃具有更优的载流子输运性能，这是高探测率的关键。
2. 界面过渡层的作用：六方相GaNₓO₃(1−x)/₂过渡层缓解了晶格失配，降低了界面复合损失，解释了器件快速响应的微观机制。
3. 能带工程优势：反向替代生长法引入氮作为受主掺杂，形成p型β-Ga₂O₃/n型GaN异质结，内置电场方向与传统结构相反，显著提升了光生载流子分离效率。
结论与价值
1. 科学价值：揭示了GaN晶体质量→β-Ga₂O₃缺陷态→器件性能的传递规律，为异质结界面工程提供了新思路。
2. 应用价值：MSM器件探测率超越传统PMT，自供电设计适用于极端环境；微秒级响应速度满足高频信号追踪需求，在紫外成像、生化检测等领域具产业化潜力。
研究亮点
1. 方法创新：首创反向替代生长法，通过氧替代氮实现p型β-Ga₂O₃可控合成。
2. 性能突破：探测率（>10¹⁶ Jones）为已报道Ga₂O₃基器件的最高值之一。
3. 多尺度表征：结合XPS、TEM、AFM等手段，建立了从原子缺陷到宏观性能的完整关联模型。
其他发现
器件在光照初期表现出瞬态热电峰（Pyroelectric Effect），源于GaN的快速温变极化电荷，这一现象为开发新型光-热耦合传感器提供了启示（见原文图S1温度依赖性测试）。