综述：基于p-InP/Ga2O3异质结的UV-NIR双波段光电探测器，采用氧空位工程技术

《Materials Science in Semiconductor Processing》：UV-NIR dual-band heterojunction photodetector based on p-InP/Ga2O3 with oxygen vacancy engineering

紫外-近红外双波段光电探测器通过p-InP/Ga?O?异质结与氧空位工程实现，在零偏压下分别达到0.51 mA/W和0.31 mA/W响应度，响应时间达1.38 s（UV）和<0.04 s（NIR），应用于光学通信系统。

　　

梁王|刘汉鹏|王娟|何林安|米伟|王迪|陈荣荣|周立伟|朱艳|李晓光|赵金石

天津工业大学集成电路科学与工程学院，晶体材料国家重点实验室，光电子器件与通信技术工程研究中心，天津，300384，中华人民共和国

摘要

作为将光信号转换为电信号的基本光电器件，光电探测器（PD）在许多技术领域发挥着核心作用，包括成像系统、光通信、遥感和国防应用。然而，迄今为止很少有研究报道能够实现双波段检测的光电探测器，尤其是在紫外线（UV）和近红外（NIR）这两个重要的光谱范围内。为了解决这一技术挑战，我们通过氧空位工程成功制备了p-InP/Ga₂O₃异质结光电探测器，实现了双波段UV-NIR检测功能。在零偏压下，该器件在254纳米紫外光照射下的响应度为0.51 mA/W，上升时间为1.38秒，衰减时间为0.08秒。在830纳米近红外光照射下，其响应度达到0.31 mA/W，上升时间和衰减时间均小于0.04秒。值得注意的是，该器件已被应用于一个同时使用紫外光和近红外光的光通信系统中。

引言

光电探测器（PD）作为一种将光转换为电信号的装置，在成像、光通信、遥感和军事系统等领域具有重要的应用[1][2][3][4][5]。根据其光谱响应范围，PD可以分为紫外线（UV）、可见光（Vis）和红外线（IR）类型[6,7]。此外，还存在能够在不同波长下产生可区分信号的双波段PD[2][8][9][10][11][12][13][14]。由于近红外（NIR）波段具有丰富的带宽资源和较强的抗电磁干扰能力，以及太阳盲区紫外波段（UV）的环境背景噪声极低[15,16]，紫外线和近红外（UV–NIR）双波段PD受到了广泛关注。

当前的一个研究重点是实现在单个PD内进行光谱区分，从而无需外部光学滤波器或复杂组件即可实现先进的微型化双波段PD[9,17,18]。针对特定光谱区分的双波段PD的开发产生了多种器件配置，包括UV/UV、UV/Vis、UV/IR、Vis/IR和IR/IR组合[9,12][19][20][21][22]。大多数双波段光电探测器的制备依赖于复杂的技术方法，如生长合金半导体、超晶格或多量子阱。这些先进技术（如分子束外延（MBE）、金属有机化学气相沉积（MOCVD）和原子层沉积（ALD）不可避免地存在一些缺点，包括晶格/热失配、高复杂性、低产量和较高成本[9,17,19]。因此，探索通过更简单的器件架构和更具成本效益的制备工艺来实现双波段检测能力的PD至关重要。与MBE和MOCVD相比，磁控溅射因其较低的成本和更高的沉积效率而被广泛用于高性能PD的生产[23]。近年来，磁控溅射的非晶态Ga₂O₃（a-Ga₂O₃）因具有宽禁带（4.5–4.9 eV）而在紫外检测领域受到了广泛关注，这使其成为理想的紫外PD材料[24][25][26][27][28][29]。InP是一种关键的III-V族半导体，因其1.34 eV的直接带隙和4600 cm²/(V·s)的室温电子迁移率而适用于高速近红外光检测和与二维材料的集成[30][31][32]。在以往的报道中，基于氧化镓的双波段光电探测器主要集中在UV/UV[33,34]和UV/Vis[35,36]配置上。据我们所知，关于通过整合Ga₂O₃和InP来实现UV-红外双波段光电探测器的报道很少，仍需进一步研究以满足实际应用的需求。利用a-Ga₂O₃在紫外波段和InP在近红外波段的互补光响应特性，通过磁控溅射构建异质结是一种直接且经济高效的方法，可以将双波段检测功能集成到单个PD中。

在本研究中，通过氧空位（V_O）工程制备了p-InP/Ga₂O₃异质结PD，实现了双波段光检测功能。通过控制溅射过程中的氧分压，系统地调节了a-Ga₂O₃薄膜的性质和所得PD的性能。这项工作提供了一种简单的方法来设计和制备具有UV-NIR双波段响应的PD。

实验部分

实验

薄膜采用射频磁控溅射方法从99.99%的Ga₂O₃靶材沉积在Al₂O₃（作为参考样品）和p-InP（用于PD制备）基底上。预清洗后的基底被放入腔室中，基础压力为<1 × 10^?7 Pa。经过10分钟的靶材预溅射后，在10 rpm、100 W和8 mTorr的条件下沉积90分钟。通过调整Ar:O₂比例制备了三种类型的薄膜：“w/o O₂”（不含O₂）、“w O₂”（Ar:O₂ = 99:1）和“w/o–w O₂”（含有O₂，持续30分钟）

结果与讨论

为了研究Ga₂O₃薄膜的结晶特性，我们在p-InP（100）基底上制备了三种不同的Ga₂O₃薄膜。图1(a)和(b)分别展示了三个样品的XRD图谱和拉曼散射光谱。除了来自p-InP（100）基底的衍射峰外，未观察到其他Ga₂O₃薄膜的衍射峰[37]。拉曼光谱结果中观察到的振动模式表明

结论

总之，我们通过一种成本效益高的磁控溅射方法成功制备了p-InP/Ga₂O₃异质结PD。这种在Ga₂O₃层内具有V_O工程结构的独特结构使得该器件在零偏压下能够实现UV和NIR光的双波段光检测。利用这些双波段PD的不同光响应特性，我们提出了一个使用紫外光和近红外光的光通信系统。

CRediT作者贡献声明

梁王：撰写——原始草稿、可视化、数据分析、正式分析、数据管理。刘汉鹏：数据分析、正式分析。王娟：撰写——审稿与编辑、方法论。何林安：撰写——审稿与编辑、概念构思。米伟：资源提供。王迪：资源提供。陈荣荣：资源提供。周立伟：资源提供。朱艳：方法论、资金申请。李晓光：资源提供。赵金石：监督、项目管理。

资助

本工作得到了天津市科技重大专项（项目编号：18ZXJMTG00230）、天津市重点研发计划（项目编号：24YFXTHZ00200和24YFXTHZ00210）以及天津市科技创新引导基金（项目编号：25YDTPJC00310、25YDTPJC00320和25YDTPJC00350）的支持。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。