衬底晶向调控的213纳米GeO2日盲光电探测器性能研究

【编辑推荐】研究人员针对日盲紫外探测中材料性能调控难题，通过磁控溅射法在不同晶向蓝宝石衬底上沉积GeO2薄膜并构建213 nm日盲光电探测器(SBPD)。研究发现m面衬底器件具有更优性能（响应时间8.09/8.15 ms、光暗电流比237.03、响应度2.76 A/W、探测率1.87×1014 Jones），揭示了能带结构与晶格失配的调控机制，为日盲探测应用提供了新方案。

　　

在紫外探测领域，日盲波段（200-280 nm）因其在地球表面的天然稀缺性而成为"纯净"信号源，可用于导弹预警、火灾监测等特殊场景。然而，传统日盲探测器面临材料带隙调控难、响应速度慢等瓶颈。GeO₂作为一种超宽禁带半导体（ultra-wide bandgap semiconductor），兼具高热导率和高载流子迁移率优势，但其光电性能受衬底晶向影响机制尚不明确。

针对这一科学问题，中国的研究团队采用双阴极射频磁控溅射（DCRMS）技术，在m面和r面蓝宝石衬底上制备GeO₂薄膜，并通过1100℃高温退火处理优化结晶质量。研究团队系统表征了薄膜的晶体结构、表面形貌和光学特性，构建了金属-半导体-金属（MSM）结构的213 nm日盲光电探测器。

关键技术包括：1）不同晶向蓝宝石衬底（m/r面）的对比实验；2）X射线衍射（XRD）分析晶体结构；3）变温退火工艺（800-1100℃）优化；4）能带结构计算与性能关联分析。

【材料表征】XRD显示1100℃退火的m面样品（MA11P2）出现20.6°和26.0°的强衍射峰，对应六方相GeO₂的（100）和（101）晶面，而r面样品（RA11P2）仅显示（101）峰，表明m面衬底更利于晶体取向生长。

【器件性能】m面器件展现出显著优势：响应速度较r面器件提升82%，光暗电流比达237.03，探测率突破1.87×10¹⁴ Jones。能带分析表明，m面器件具有更小的载流子迁移势垒，且内置电场与较小晶格失配（<1%）共同促进了电荷分离效率。

该研究首次揭示了衬底晶向对GeO₂日盲探测器性能的调控规律，通过能带工程将响应度提升至2.76 A/W。研究成果发表于《Journal of Alloys and Compounds》，为新一代日盲探测器设计提供了材料选择与工艺优化依据，在国防安全与环境监测领域具有应用前景。研究同时证实，六方相GeO₂的（100）晶面择优生长是获得高性能器件的关键因素。