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一、研究作者及机构
本研究由Yi Lu、Patsy A. Miranda Cortez、Xiao Tang、Zhiyuan Liu、Vishal Khandelwal、Shibin Krishna和Xiaohang Li*共同完成，研究团队来自阿卜杜拉国王科技大学（King Abdullah University of Science and Technology, KAUST）的先进半导体实验室（Advanced Semiconductor Laboratory）。该论文于2025年发表在期刊《Advanced Materials》上（DOI: 10.1002/adma.202406902）。

二、学术背景
本研究属于超宽禁带半导体（Ultrawide-Bandgap, UWGB）材料领域，重点关注氧化镓（Ga₂O₃）的异质结（heterojunction）特性及其在深紫外（Deep Ultraviolet, DUV）探测与高功率电子器件中的应用。Ga₂O₃因其宽禁带（~5 eV）、高击穿电场（~8 MV/cm）和低成本基板等优势，被视为下一代高功率电子和日盲光电（Solar-Blind Photonics）的理想材料。

然而，尽管Ga₂O₃存在多种晶相（polymorphs），包括α、β、γ、δ、ε和κ相，但不同晶相间的能带对齐（band alignment）长期被忽视，主要原因在于异质外延（epitaxy）的挑战和材料特性的复杂性。本研究旨在通过实验验证β-Ga₂O₃与κ-Ga₂O₃的“晶相异质结”（phase heterojunction）的能带排列特性，并探索其在自供电DUV探测器中的应用潜力。

三、研究流程与方法
1. 材料生长与表征
- 样品制备：通过脉冲激光沉积（Pulsed Laser Deposition, PLD）技术，在蓝宝石（sapphire）衬底上依次生长κ-Ga₂O₃和β-Ga₂O₃薄膜。生长过程中，κ相Ga₂O₃使用含SnO₂和SiO₂的靶材（Ga₂O₃:SnO₂:SiO₂ = 98.4:1.5:0.1 wt%）以稳定κ相结构，而β相Ga₂O₃使用未掺杂靶材。
- 结构表征：利用X射线衍射（XRD）分析晶相纯度，并通过高分辨率透射电子显微镜（HR-TEM）验证异质结界面的原子级锐度。结果显示κ-Ga₂O₃（正交晶系，空间群Pna2₁）与β-Ga₂O₃（单斜晶系，空间群C2/m）形成了清晰的界面，晶格失配度为4.82%。

1. 能带对齐分析

   • X射线光电子能谱（XPS）：通过Kraut方法计算价带偏移（valence band offset, δEv ≈ 0.65 eV）和导带偏移（conduction band offset, δEc ≈ 0.71 eV），证实了β/κ-Ga₂O₃异质结为II型能带排列（type-II alignment）。
     
   • 光学带隙测定：紫外-可见光谱（UV-Vis）测得β-Ga₂O₃和κ-Ga₂O₃的带隙分别为4.94 eV和5.0 eV。
     

2. 器件制备与性能测试

   • 光电器件设计：制备了基于β/κ-Ga₂O₃异质结的准垂直光电探测器（photodetector, PD），通过等离子体刻蚀形成台面结构，并沉积Ti/Au电极。
     
   • 自供电性能：在零偏压下，器件表现出显著的DUV响应（峰值波长240 nm），光电流比裸β-Ga₂O₃和κ-Ga₂O₃器件高三个数量级，响应度（responsivity）达17.8 mA/W，响应时间（rise/decay time）为0.²¹⁄₀.53秒。
     

四、主要结果
1. 界面特性：HR-TEM和XRD证实了β/κ-Ga₂O₃异质结的原子级锐利界面，避免了传统混合相（如α/β-Ga₂O₃）的多晶界问题。
2. 能带排列：XPS数据揭示了II型能带对齐，界面内建电场促进了光生载流子的高效分离。
3. 器件性能：异质结PD在自供电模式下表现优异，其响应度和探测率（detectivity, D* ≈ 1.69×10¹⁰ Jones）远超文献报道的Ga₂O₃混合相器件。

五、结论与意义
本研究首次实验证实了β/κ-Ga₂O₃晶相异质结的II型能带排列，为Ga₂O₃基器件的能带工程提供了新思路。其自供电DUV探测器在日盲探测领域具有应用潜力，尤其适用于无外部偏压的极端环境（如太空或高温场景）。此外，该研究为其他多晶相材料的异质结设计（如TiO₂或III族氮化物）提供了参考。

六、研究亮点
1. 创新性方法：通过PLD结合Sn催化剂外延生长高结晶质量的κ-Ga₂O₃薄膜。
2. 界面控制：实现了原子级清晰的β/κ异质结界面，避免了传统退火方法导致的相混杂问题。
3. 性能突破：自供电响应度比现有Ga₂O₃混合相器件提高千倍。

七、其他价值
该研究还探讨了Si掺杂对κ-Ga₂O₃绝缘性的调控作用，为后续电学性能优化提供了实验依据。