一步空气热氧化法制备高性能多晶β-Ga2O3/GaN日盲光电探测器及其性能研究

本研究针对传统β-Ga2O3薄膜生长技术复杂、成本高的问题，创新性地采用马弗炉空气热氧化法，在900℃下成功制备出高取向性(2ˉ01)多晶β-Ga2O3/GaN异质结。该MSM结构日盲紫外探测器在254 nm光照下实现最高10.86 A/W的响应度(R)和3.93×1011 Jones的探测率(D)，为低成本制备高性能日盲探测器提供了新思路。

　　

在紫外探测领域，日盲紫外探测器(SBUV PD)因其能规避太阳光干扰，在导弹预警、空间通信等领域具有战略意义。传统β-Ga₂O₃薄膜制备依赖分子束外延(MBE)、磁控溅射等复杂工艺，而韩国国立研究团队另辟蹊径，采用马弗炉空气热氧化法这一"厨房级"设备，将GaN晶圆转化为高性能探测器材料。

研究团队通过温度梯度实验（800-1000℃），发现900℃退火形成的β-Ga₂O₃薄膜具有最优特性：XRD显示($\bar{2}$01)取向的半峰宽(FWHM)仅0.22°，AFM测得11.41 nm表面粗糙度，SEM观察到规则菱面体形貌。XPS证实Ga³⁺化学态占比达76.5%，EDS显示O/Ga原子比1.44，验证了完全氧化。

器件性能令人惊艳：在-5V偏压、254 nm紫外光下，响应度(R)达10.86 A/W，比传统O₂氛围管式炉工艺高3倍；探测率(D)达3.93×10¹¹ Jones。更难得的是，在UVC/UVB波段均展现毫秒级响应速度，经200次循环测试仍保持95%初始性能。这种"空气烘焙"工艺打破了必须高纯氧环境的认知局限，设备成本降低90%。

关键技术包括：1)马弗炉空气热氧化（5℃/min升温至900℃保持1h）；2)Al电极直流溅射（间距50μm叉指结构）；3)XRD/AFM/SEM多模态表征；4)254/280 nm双波段光响应测试系统。

重要发现：

1. 温度优化：900℃形成低缺陷密度β相，800℃出现未完全氧化的GaN残留，1000℃导致晶粒异常生长。
2. 取向控制：空气氧化自发形成($\bar{2}$01)择优取向，比O₂氛围的(010)取向器件响应度高29倍。
3. 能带工程：Ga₂O₃/GaN异质结的导带偏移量ΔE_C=0.3 eV，有效抑制暗电流至nA级。

这项发表于《Applied Surface Science》的研究，首次证明空气环境热氧化的可行性，为发展中国家建设紫外探测器产线提供了可能。Vijay B. Patil等提出的"马弗炉工艺"或将改写第三代半导体制造规则，其意义不亚于当年溶液法制备OLED的突破。未来通过掺杂调控，有望将性能进一步提升至商用化水平。