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作者与发表信息

该研究的主要作者包括Jiale Zhang、Yurui Han、Yuefei Wang等，研究团队来自中国东北师范大学集成光电子学国家重点实验室、教育部紫外发光材料与技术重点实验室，以及美国纽约城市大学电气工程系。该研究于2025年4月发表在期刊《Materials Today Physics》上，文章标题为“Enhanced performance UV photodetectors based on the β-Ga2O3/GaN photodiode of the reversed substitution growth with introduction nucleation layer of GaON by oxygen plasma treatment”。

学术背景

该研究属于光电材料与器件领域，特别是紫外（UV）光电探测器的开发。随着工业化进程的加快，臭氧层变薄导致地球表面接收到的紫外线辐射增加。适当的紫外线辐射对健康有益，但过量辐射可能导致皮肤癌等疾病。因此，高灵敏度、高稳定性和快速响应的紫外光电探测器在火焰探测、天文成像等应用中至关重要。宽带隙半导体材料，如AlN、BN、Ga2O3等，因其独特的光电特性成为紫外光电探测器的理想候选材料。其中，β-Ga2O3因其在紫外区域的高吸收系数和高效光子吸收能力而备受关注。此外，β-Ga2O3与GaN的晶格失配较小，能够减少界面缺陷，提高异质结质量，因此β-Ga2O3/GaN系统成为高性能紫外光电探测器的研究热点。

研究流程

该研究的主要目标是开发一种基于β-Ga2O3/GaN异质结的高性能紫外光电探测器，并通过反向替代生长（reversed substitution growth）结合氧等离子体处理（oxygen plasma treatment, OPT）引入GaON成核层，优化器件性能。研究流程包括以下几个步骤：

1. 材料制备：

   • 使用金属有机化学气相沉积（MOCVD）在蓝宝石衬底上生长4微米厚的未掺杂GaN薄膜。
     
   • 通过氧等离子体处理（OPT）对GaN表面进行改性，形成GaON成核层。
     
   • 将处理后的GaN样品在1000°C的氧气环境中进行热氧化，形成β-Ga2O3薄膜。

2. 器件制备：

   • 在β-Ga2O3薄膜上溅射Ti叉指电极，制备金属-半导体-金属（MSM）型紫外光电探测器。
     
   • 通过ICP刻蚀部分β-Ga2O3层，暴露出底层的GaN，制备垂直结构的β-Ga2O3/GaN异质结光电探测器。

3. 材料表征：

   • 使用X射线衍射（XRD）分析薄膜的晶体结构和取向。
     
   • 通过原子力显微镜（AFM）研究样品表面形貌。
     
   • 利用X射线光电子能谱（XPS）分析β-Ga2O3和GaN薄膜的键合情况和能带结构。

4. 光电性能测试：

   • 使用氙灯、单色仪和半导体参数分析仪测量器件的光响应特性。
     
   • 在255 nm脉冲光下测试器件的瞬态响应速度。

主要结果

1. 材料特性：

   • XRD结果表明，通过热氧化形成的β-Ga2O3薄膜具有单斜晶相，且（-201）晶面为优选取向。
     
   • AFM和XPS分析显示，OPT处理显著降低了β-Ga2O3表面的氧空位（Vo）浓度和表面粗糙度，改善了电极与材料的界面接触。
     
   • 内部氧空位的增加提高了材料的导电性，从而增强了光电响应性能。

2. 器件性能：

   • MSM型光电探测器在10 V偏压下表现出超高的探测能力，响应度（responsivity）达到653 A/W，探测率（detectivity）为2.9 × 10^15 Jones。
     
   • 通过调节偏置电压，器件的光谱响应范围可在UVC窄带和UVA-UVC宽带之间切换。
     
   • 垂直结构的β-Ga2O3/GaN光电探测器在-10 V偏压下的响应度和探测率分别为2.1 A/W和7.2 × 10^13 Jones，瞬态响应时间（上升时间0.24 ms，衰减时间17.1 ms）表现出快速响应特性。

3. 机制分析：

   • 通过引入GaON成核层，OPT处理有效控制了氧原子的扩散速率，减少了表面缺陷，如氧空位和悬挂键。
     
   • 内部氧空位的增加提高了载流子浓度，降低了接触电阻，从而增强了光电探测器的性能。

结论

该研究通过反向替代生长结合氧等离子体处理，成功制备了高性能的β-Ga2O3/GaN紫外光电探测器。研究结果表明，引入GaON成核层能够有效控制氧空位的分布，优化材料表面状态，显著提高器件的光电响应性能和瞬态响应速度。该研究不仅为高性能紫外光电探测器的开发提供了简单有效的策略，还推动了材料生长机制和器件性能优化的基础研究，具有重要的科学和应用价值。

研究亮点

1. 创新方法：首次将氧等离子体处理与反向替代生长方法结合，通过引入GaON成核层优化了β-Ga2O3/GaN异质结的性能。
   
2. 高性能器件：MSM型光电探测器的响应度和探测率均达到国际领先水平，且具有宽光谱响应范围。
   
3. 快速响应：器件的瞬态响应时间在毫秒级别，满足了高速光电探测的需求。
   
4. 应用潜力：该研究为下一代紫外相关应用（如环境监测和高速光通信系统）提供了技术支持。

其他价值

该研究还通过理论计算和实验验证，深入分析了GaON成核层对热氧化过程的影响，为后续研究提供了重要的参考依据。此外，研究团队开发的数据分析方法和高性能测试系统也为光电材料与器件领域的研究提供了新的工具和方法。