高性能基于热氧化镓缓冲层的Ga₂O₃日盲光电探测器研究

一、研究团队与发表信息
本研究由上海大学材料科学与工程学院的Haofei Huang、Lulu Wang、Haichuan Zhou等学者主导，合作单位包括浙江先进材料研究院和上海智能传感芯片技术协同创新中心。通讯作者为Ke Tang、Jian Huang和Linjun Wang。研究成果发表于ACS Applied Materials & Interfaces期刊，2024年11月11日在线发布，卷16，页码63808–63817。

二、学术背景与研究目标
科学领域：本研究属于宽禁带半导体材料与日盲紫外（Solar-Blind Ultraviolet, SBUV）光电探测器领域。
研究动机：日盲紫外探测器（波长200–280 nm）在环境监测、安全通信和火灾预警等领域具有重要应用。Ga₂O₃因其4.9 eV的宽禁带特性，可实现对日盲紫外光的高选择性响应，但传统制备方法中薄膜与衬底的界面缺陷（如晶格失配和热膨胀系数差异）严重制约器件性能。
研究目标：通过引入自然梯度缓冲层（naturally graded buffer-layer），改善Ga₂O₃薄膜质量，提升探测器性能。

三、实验流程与方法
1. 样品制备
- 衬底清洗：石英衬底依次经丙酮、甲醇和去离子水超声清洗各10分钟。
- 缓冲层制备：
- 镓膜沉积：采用电子束蒸发（electron beam evaporation）在衬底上沉积20 nm和80 nm厚金属镓（Ga）膜。
- 热氧化：在900°C、5N高纯氧气氛围中退火1小时，形成Ga₂O₃缓冲层。
- Ga₂O₃薄膜沉积：通过射频磁控溅射（RF magnetron sputtering）在缓冲层上沉积200 nm厚Ga₂O₃薄膜，溅射功率250 W，压力6 mTorr。
- 后处理：真空环境下800°C快速热退火（RTA）30分钟以减少缺陷。

1. 器件制备

   • 电极设计：采用B/Ga共掺杂ZnO（BGZO）作为电极，通过溅射形成叉指结构（11 mm长，0.6 mm宽，间距0.8 mm）。
     

2. 表征与分析

   • 结构表征：X射线衍射（XRD）、透射电子显微镜（TEM）、原子力显微镜（AFM）。
     
   • 光学性能：紫外-可见光谱（UV-Vis）测定透射率与带隙，光致发光光谱（PL）分析缺陷态。
     
   • 化学组成：X射线光电子能谱（XPS）分析元素价态。
     
   • 电学性能：半导体参数分析仪（Keithley 4200SCS）测试探测器响应度（Responsivity, R）和探测率（Detectivity, D*）。
     

四、主要研究结果
1. 薄膜质量优化
- 缓冲层作用：20 nm Ga氧化形成的缓冲层显著降低界面缺陷，薄膜表面粗糙度（RMS）从直接沉积的4.4 nm降至8.8 nm（AFM结果）。
- 晶体结构：缓冲层诱导Ga₂O₃从多晶β相（β-Ga₂O₃）向高取向ε相（ε-Ga₂O₃）转变（XRD与TEM验证），后者具有更均匀的微观结构（图5）。

1. 光学与电学性能

   • 带隙调控：缓冲层样品（Sample A）的光学带隙为5.07 eV，接近Ga₂O₃理论值，而直接沉积样品（Sample C）因氧空位缺陷导致带隙异常（4.69 eV）。
     
   • 缺陷抑制：PL光谱显示缓冲层样品氧空位相关发光峰（3.02–3.49 eV）强度降低50%（图4）。
     

2. 探测器性能

   • 响应度与选择性：缓冲层器件在254 nm紫外光下的响应度达99.8 mA/W，日盲/紫外抑制比（R₂₅₄/R₃₆₅）高达1.17×10³，优于直接沉积器件（207.6 mA/W，抑制比1.29×10²）。
     
   • 响应速度：上升时间（τᵣ）从2.46 s缩短至0.47 s，归因于ε-Ga₂O₃的高结晶度（图8）。
     

五、研究结论与价值
1. 科学价值：
- 提出了一种通过自然氧化缓冲层调控Ga₂O₃相变与缺陷的新方法，为宽禁带半导体界面工程提供了新思路。
- 揭示了ε-Ga₂O₃在日盲探测器中优于β-Ga₂O₃的微观机制（如低缺陷密度与高载流子迁移率）。

1. 应用价值：
   
   • 器件性能满足环境监测、电力系统电晕放电检测等高精度应用需求。
     
   • 溅射与热氧化工艺兼容低成本、大面积制造，具有产业化潜力。
     

六、研究亮点
1. 创新方法：首次利用金属Ga热氧化形成梯度缓冲层，解决了异质界面晶格失配问题。
2. 性能突破：实现了高响应度（99.8 mA/W）与超高波长选择性（10³量级）的平衡。
3. 跨学科意义：结合材料科学（相变调控）与器件工程（电极设计），推动了日盲探测器的小型化与集成化发展。

七、其他发现
- 氧空位调控机制：XPS与EDS证实缓冲层可抑制氧逃逸，使Ga/O化学计量比接近理论值2:3（图6-7）。
- 温度稳定性：真空退火后器件在高温环境下仍保持性能稳定，为恶劣环境应用奠定基础。

总结：本研究通过界面工程策略显著提升了Ga₂O₃日盲探测器的综合性能，为下一代紫外光电芯片的开发提供了关键技术支撑。