基于GaN/κ-Ga?O?异质结的高性能自供电太阳能遮光紫外光电探测器

《Optical Materials》：High-Performance Self-Powered Solar-Blind Ultraviolet Photodetector Based on GaN/ κ-Ga 2O 3 Heterojunction

基于GaN/κ-Ga?O?异质结的自供电紫外探测器在254 nm光照下表现优异光电性能：暗电流1.61×10??A，光电流-暗电流比2.78×103，响应度80.5mA/W，外量子效率39.38%，探测度1.18×1012 Jones，响应/衰减时间分别为660/590ms。该器件通过Mist-CVD法在GaN/sapphire衬底上制备Sn掺杂κ-Ga?O?薄膜，其异质结能带对齐优化载流子传输机制，较β-Ga?O?和 amor phous Ga?O?器件性能显著提升。

　　

钱倩倩|杨莉|岳林凯|徐梦凡|赵欣瑞|穆文祥|贾志泰

中国山东省济南市山东大学新型半导体研究所晶体材料国家重点实验室，250100

摘要

基于Ga₂O₃的自供电太阳盲紫外光探测器（SBPDs）在实际应用中具有显著优势，因为它们具有高效率、低功耗和快速响应速度。在本研究中，采用成本效益高且环保的雾化学气相沉积（Mist-CVD）技术在GaN/蓝宝石衬底上外延生长了掺Sn的κ-Ga₂O₃薄膜，从而实现了基于GaN/κ-Ga₂O₃异质结的自供电SBPD的制备。在254 nm光照下，零偏压下，光功率密度为500 μW/cm²时，该器件表现出1.61 × 10^?7 A的光电流、2.78 × 10³的光电流与暗电流比、80.5 mA/W的响应度、39.38%的外部量子效率以及1.18 × 10¹² Jones的检测度，上升/衰减时间分别为660 ms和590 ms。这一结果显著优于之前报道的基于β-Ga₂O₃或非晶Ga₂O₃的自供电SBPDs。通过构建能带对齐图，阐明了基于GaN/κ-Ga₂O₃异质结的自供电SBPD中的载流子传输机制。Sn的掺入显著提高了光生载流子的分离效率，从而改善了器件的光电性能。本研究为制备高性能的基于Ga₂O₃的SBPD提供了一种有前景的策略。

引言

近年来，太阳盲紫外光探测器（SBPDs）在导弹预警、安全空间通信、环境监测和火灾检测等领域展现了巨大的应用潜力，这得益于它们低背景噪声、高灵敏度和强抗干扰能力[1]、[2]。Ga₂O₃因其理想的材料特性（包括超宽带隙（4.9–5.2 eV）、优异的机械和热稳定性、强辐射抗性以及高可见光透射率[3]而受到广泛关注，成为SBPDs的有力候选材料。大多数关于Ga₂O₃基PD的研究集中在光电导型器件上。尽管这些器件结构简单且易于制备，但它们需要外部偏压才能工作，并且响应速度较慢，这限制了其实际应用。相比之下，光伏型PD，特别是基于异质结的架构，被认为是下一代PD的发展方向，因为它们具有高效率、低功耗和快速响应特性。然而，在Ga₂O₃中实现p型掺杂的难度给构建p-n或p-i-n同质结带来了挑战。为了克服这些限制，已经研究了将Ga₂O₃与其他p型半导体进行各种异质整合的策略[4]、[5]。迄今为止，包括NiO[6]、ZnO[7]、[8]、[9]、GaN[10]和ITO[12]在内的多种宽带隙半导体已与Ga₂O₃结合，用于制备高性能的异质结SBPD。在这些宽带隙材料中，GaN因其与Ga₂O₃的晶格失配较小、宽光学带隙（3.38 eV）以及可通过金属有机化学气相沉积（MOCVD）生长高质量、均匀且光滑的薄膜而脱颖而出。因此，本研究采用p-GaN衬底来构建先进的太阳盲紫外（UV）光检测异质结。

迄今为止，关于GaN/Ga₂O₃异质结的大多数报道主要集中在β-Ga₂O₃上[13]、[14]、[15]、[16]、[17]，而对其他亚稳态Ga₂O₃多形体[14]的关注较少。在各种Ga₂O₃多形体中，κ-Ga₂O₃近年来成为研究热点，因为它具有自发的极化（P_SP），其强度比传统的Ⅲ-Ⅴ族半导体（如GaN、AlN）高一个数量级，这有望在异质界面形成高浓度的二维电子气（2DEG）[19]、[20]。此外，κ-Ga₂O₃的铁电性质（表现为可逆的P_SP）使得通过极化切换可以显著调节2DEG浓度。κ-Ga₂O₃的带隙（4.9 eV）与β-Ga₂O₃相当，并且具有优异的热稳定性（在750 °C下长期稳定）。与需要高温（>800 °C）生长的β-Ga₂O₃不同，κ-Ga₂O₃可以在较低温度（550–750 °C）下合成，有效避免了由于蓝宝石和GaN之间的热膨胀系数不匹配引起的GaN裂纹。此外，与低对称性的单斜晶系β-Ga₂O₃（空间群C2/m）相比，正交晶系的κ-Ga₂O₃（空间群Pna₂1）与高对称性的六方GaN（空间群P₃mc的晶格失配较小，从而能够实现高质量的异质外延薄膜生长[22]、[23]、[24]、[25]、[26]。与异质外延β-Ga₂O₃相比，异质外延κ-Ga₂O₃具有更平滑的表面形态[23]，这有助于在薄膜和电极之间形成更紧密和均匀的界面接触，从而减少界面陷阱密度并提高光电性能。

目前，生长κ-Ga₂O₃薄膜的方法主要包括MOCVD[27]、[28]、[29]、[30]、[31]、[32]、卤化物气相外延（HVPE）[33]、[34]、[35]、雾化学气相沉积（Mist-CVD）[36]、[37]、[38]、[39]、[40]、[41]、脉冲激光沉积（PLD）[23]、[42]、[43]、[44]、[45]和分子束外延（MBE）[47]、[48]。在本研究中，选择了Mist-CVD方法来生长κ-Ga₂O₃，因为它具有独特的优势。与MOCVD和HVPE相比，Mist-CVD制备薄膜的过程更具成本效益且更环保。此外，与需要高真空条件的PLD和MBE不同，Mist-CVD可以在常压下进行薄膜生长，并且能够制备未掺Sn的亚稳态κ-Ga₂O₃外延层[23]。

在本研究中，通过Mist-CVD技术在GaN/蓝宝石衬底上生长了κ-Ga₂O₃薄膜，并对其晶体质量、畴结构、生长速率、生长模式和光学带隙进行了全面研究。随后制备了基于GaN/κ-Ga₂O₃异质结的自供电SBPD。此外，还构建了能带对齐图以阐明基于GaN/κ-Ga₂O₃异质结的自供电SBPD中的载流子传输机制。我们的工作为高性能基于Ga₂O₃的SBPD的制备和应用提供了重要指导。

部分摘录

薄膜生长和器件制备

GaN/蓝宝石衬底依次用丙酮（去除有机污染物）、乙醇（去除丙酮）和去离子水（去除乙醇）超声清洗5分钟，然后用高纯度N₂干燥。然后将衬底安装在反应室中的样品架上，加热至750 °C并保持15分钟。准备了0.05 mol/L的Ga(acac)₃溶液；在制备过程中加入少量浓HCl以增强其效果

结果与讨论

图1(a)展示了κ-Ga₂O₃薄膜的XRD θ-2θ扫描图。在2θ = 19.1°、38.9°、60.0°和83.4°处观察到的衍射峰分别对应于κ-Ga₂O₃的(002)、(004)、(006)和(008)晶面，以及来自蓝宝石衬底和GaN层的衍射特征。这一结果证实，在GaN/蓝宝石衬底上成功制备出了沿{001}晶面优先取向的相纯κ-Ga₂O₃薄膜。 (004)晶面的摇摆曲线显示...

结论

在本研究中，采用成本效益高且环保的Mist-CVD技术在GaN/蓝宝石衬底上外延生长了掺Sn的κ-Ga₂O₃薄膜，从而实现了基于GaN/κ-Ga₂O₃异质结的自供电SBPD的制备。在零偏压下，254 nm紫外光照下，光功率密度为500 μW/cm²时，该器件表现出1.61 × 10^?7 A的I_light、2.78 × 10³的PDCR、80.5 mA/W的R、39.38%的EQE和1.18 × 10¹² Jones的D值。τ_r和τ_d的测量结果分别为660 ms

CRediT作者贡献声明

岳林凯：验证、研究。钱倩倩：撰写 – 原稿撰写、可视化、验证、方法学、研究、数据分析、概念化。杨莉：撰写 – 审稿与编辑、监督、资源获取、项目管理。穆文祥：撰写 – 审稿与编辑、监督。贾志泰：撰写 – 审稿与编辑、监督。徐梦凡：方法学、研究。赵欣瑞：研究

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

数据可用性

数据可应要求提供。

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作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

我们衷心感谢山东省自然科学基金（ZR2023ZD05）、国家重点研发计划（2024YFA1208800）、国家自然科学基金（项目编号62205182）以及泰山学者基金（项目编号202408337）的财政支持。