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该研究由Yan Zeng、Hong Huang、Xiaolong Zhao、Mengfan Ding、Xiaohu Hou、Yanni Zou、Jiahong Du、Jinyang Liu、Shunjie Yu、Keju Han、Yonghui Wu、Xuanze Zhou、Guangwei Xu和Shibing Long等人共同完成，研究团队来自中国科学技术大学微电子学院。该研究发表于2023年12月的《IEEE Electron Device Letters》期刊第44卷第12期，题目为《Self-Powered a-SnOx/c-Ga2O3 PN Heterojunction Solar-Blind Photodetector with High Responsivity and Swift Response Speed》。
研究的主要科学领域是宽禁带半导体材料及其在日盲紫外光探测器（Solar-Blind Photodetector, SBPD）中的应用。近年来，宽禁带半导体材料（如AlxGa1−xN、Ga2O3和SiC）因其在日盲紫外波段（200-280 nm）的高效吸收、优异的辐射硬度和热/化学稳定性，成为日盲紫外光探测器研究的热点。Ga2O3由于其吸收截止波长低于280 nm，覆盖了几乎整个日盲紫外波段，且无需合金化，因此成为日盲紫外光探测器的理想候选材料。然而，Ga2O3缺乏高效的p型掺杂方法，因此常与其他p型半导体材料结合设计自供电的日盲紫外光探测器。本研究旨在通过设计非晶态SnOx（a-SnOx）与晶态Ga2O3（c-Ga2O3）的PN异质结，开发一种具有高响应度和快速响应速度的自供电日盲紫外光探测器。
研究主要分为以下几个步骤：
器件设计与制备
研究团队设计了a-SnOx/c-Ga2O3 PN异质结探测器。衬底为体相β-Ga2O3（载流子浓度约为1e18 cm⁻³），并外延生长了10 µm厚的β-Ga2O3层（载流子浓度约为1e16 cm⁻³）。通过X射线衍射（XRD）确认了β-Ga2O3材料的高质量特性。表面清洁采用H2SO4/H2O2（3:1）处理15分钟，背面干刻蚀后沉积Ti/Al/Ni/Au（20/160/40/80 nm）电极。随后，通过射频溅射（RF sputter）在β-Ga2O3衬底上沉积30 nm厚的SnOx薄膜，并在350°C的N2气氛中退火60分钟。最后，采用电子束蒸发法沉积Ni/Au（20/40 nm）环形电极。
材料表征与性能测试
通过X射线光电子能谱（XPS）分析了SnOx薄膜中Sn元素的价态变化，发现退火后Sn²⁺/Sn⁴⁺比例增加，表明p型SnO比例提高。原子力显微镜（AFM）显示退火后SnOx薄膜的粗糙度为0.256 nm。霍尔测试表明，退火后SnOx薄膜的载流子浓度从2.854×10¹³ cm⁻³显著提高至1.103×10¹⁹ cm⁻³，证实了p型导电性。
光电性能测试
研究团队采用高精度测试电路（包括脉冲发生器、UV LED、串联电阻和示波器）测量了器件的光电响应特性。在254 nm光照下，器件的光电流从0.65 µA增加至4.28 µA，暗电流为0.171 nA。器件的响应度（Responsivity, R）在182 µW/cm²光照下达到7.08 A/W，比探测率（Specific Detectivity, D*）为2.54×10¹³ Jones，外量子效率（External Quantum Efficiency, EQE）为3478%。器件的上升时间（Rise Time）为0.18 ms，衰减时间（Decay Time）为1.04 ms。
研究结果表明，a-SnOx/c-Ga2O3 PN异质结探测器在自供电模式下表现出优异的光电性能。退火处理显著提高了SnOx薄膜的空穴浓度，增强了PN结的内建电场，从而提高了光生载流子的分离效率。高精度测试电路成功捕获了器件的本征快速响应速度，其上升时间和衰减时间分别为0.18 ms和1.04 ms，响应度为7.08 A/W，在自供电Ga2O3光探测器中处于领先水平。
本研究成功开发了一种基于a-SnOx/c-Ga2O3 PN异质结的高性能自供电日盲紫外光探测器。通过退火处理提高SnOx薄膜的空穴浓度，显著增强了器件的光电响应性能。高精度测试电路揭示了器件的本征快速响应速度，其响应度和响应速度在同类器件中处于领先地位。该研究为设计高性能自供电Ga2O3日盲紫外光探测器提供了有价值的参考。
研究还对比了其他自供电Ga2O3日盲紫外光探测器的性能参数，进一步证明了a-SnOx/c-Ga2O3 PN异质结设计的优越性。此外，研究团队详细分析了SnOx薄膜的价态变化及其对器件性能的影响，为后续研究提供了重要的实验依据。