基于多孔GaN/β-Ga2O3异质结的高性能双带紫外光电探测器，采用优化后的射频磁控溅射技术制备

《Journal of Alloys and Compounds》：High-Performance Dual-Band Ultraviolet Photodetectors Based on Porous GaN/β-Ga2O3 Heterojunctions via Optimized RF Magnetron Sputtering

　　

余红月|梁月|沈淑玲|修慧心

上海科技大学材料与化学学院，中国上海中工路516号，200093

摘要

具有高比表面积、增强光捕获能力和优异光电特性的多孔GaN为集成超宽带隙氧化物（如β-Ga₂O₃）以制备高性能紫外（UV）光电探测器提供了理想平台。在本研究中，采用室温射频（RF）磁控溅射结合后退火工艺制备了多孔GaN/β-Ga₂O₃异质结光电探测器，并系统优化了溅射参数和RF功率以调控β-Ga₂O₃薄膜的微观结构。在900°C退火后，150 W的RF功率和0.5 Pa的溅射压力可形成致密均匀的β-Ga₂O₃薄膜，其晶体质量得到显著提高。一个典型的异质结UV光电探测器包含500 nm厚的β-Ga₂O₃层，在2 V偏压下，在254 nm波长处的零偏压暗电流极低（2.72 × 10^-13 A），响应度为70 mA·W^-1，对应的特定检测灵敏度达3.95 × 10¹¹ Jones。该器件表现出快速的响应动态，上升/衰减时间分别为0.8 s和1.2 s。此外，异质结器件可实现偏压可调的双波段UV检测：在254 nm附近主要响应UVC光，而在超过某一厚度阈值后能检测到UVA光。这种性能得益于多孔GaN骨架对耗尽区的偏压调控作用以及载流子提取能力的提升。这些结果展示了基于溅射技术的低成本、高灵敏度、可光谱调节的双波段UV光电探测器的实现途径。

引言

光电探测器是将光信号转换为电信号的光电器件，广泛应用于光通信、环境监测和军事领域[1],[2],[3]。近年来，由于臭氧层持续减少和太阳紫外线辐射增强，UV辐射日益受到关注，对人类健康和生态系统构成潜在威胁[4],[5]。因此，具有高灵敏度、低暗电流和宽带响应特性的UV光电探测器对环境安全和公共卫生监测具有重要意义。

在UV敏感半导体中，氮化镓（GaN）（直接带隙约为3.4 eV）因其优异的化学和热稳定性而被广泛用于UV光电探测器[6]。然而，生长在非本征衬底上的GaN外延层常存在较大晶格失配和残余应力，导致位错和缺陷的产生，从而降低泄漏电流和光响应性能[7],[8]。纳米结构化技术（如纳米柱[9]、纳米花[10]和多孔结构[11],[12]）可部分缓解应力並改善光耦合性能。特别是多孔GaN具有强光捕获能力和高表面积/界面面积，能增强光生载流子的产生和提取，从而提高响应度并实现新的异质结设计[13],[14]。相比之下，平面GaN基光电探测器通常需要额外接触或界面工程来改善载流子传输和收集效率[15]。而多孔GaN结构则有效增加表面积并提供多重内部散射路径，延长光子传播路径，增强光吸收并提升载流子收集效率。这些结构和光电优势已在多孔或异质结构工程化的GaN基光电探测器中得到验证，其响应度、检测灵敏度和光/暗电流比均优于平面或裸露GaN器件[16],[17]。

β-氧化镓（β-Ga₂O₃）具有约4.9 eV的超宽带隙，具有天然的太阳盲特性、优异的化学稳定性、高的击穿场强和强UVC吸收能力[18],[19]。其与GaN的良好能带对齐使其异质结在低功耗操作和多波段UV检测中具有潜力[20],[21]。目前，GaN/Ga₂O₃光电探测器主要通过溅射、热氧化和外延生长方法制备[22],[23],[24]。然而仍存在两个关键挑战：（i）大多数器件基于平面GaN，限制了光捕获和界面载流子收集；（ii）许多制备工艺涉及高温处理（如热氧化[25],[26]或外延[27],[28]），增加了成本并可能引入界面应力和缺陷。射频磁控溅射提供了一种低温且可扩展的替代方法[29]，但针对多孔GaN骨架构建高质量Ga₂O₃异质结的系统参数优化研究尚不足。

在本研究中，我们采用多孔GaN作为光捕获骨架，通过RF磁控溅射制备了多孔GaN/β-Ga₂O₃异质结UV光电探测器。通过系统调节溅射参数和RF功率，我们找到了一个合适工艺窗口，实现了退火后结晶度提高的β-Ga₂O₃薄膜。通过改变β-Ga₂O₃厚度，我们阐明了厚度依赖的耗尽分布和偏压调制对从太阳盲UVC响应向UVC/UVA双波段检测转变的调控机制。优化后的器件表现出极低的暗电流、高检测灵敏度和快速的光响应特性，展示了可光谱调节的UV探测策略。

内容片段

实验使用的是生长在c平面蓝宝石衬底上的商用n型GaN外延晶圆，直径为51 mm（2英寸）。外延结构由掺硅的GaN层（约4.5 μm厚）组成，该层生长在非故意掺杂的GaN缓冲层（约50 nm厚）和c平面蓝宝石衬底（约450 μm厚）上。晶圆被切割成10 mm × 10 mm的块状用于后续蚀刻工艺。选择n型GaN作为衬底不仅是因为其物理特性，还因为...

图1(a)-(f)展示了在10 V、15 V和20 V偏压下光电化学蚀刻的GaN样品的顶视图和截面SEM图像。在较低的10 V蚀刻电压（图1(a)）下，蚀刻反应主要发生在表面缺陷处，形成孤立的小蚀刻坑。随着蚀刻电压升至15 V（图1(b)），这些蚀刻坑逐渐扩展并渗透到GaN层中...

图6(a)示意性地展示了具有两个Pt电极的多孔GaN/β-Ga₂O₃异质结光电探测器的工作原理。测量过程中，紫外光从顶部照射到电极之间的区域，因此有效活性区域对应于Pt电极之间的暴露异质结构。

多孔GaN/β-Ga₂O₃异质结的光响应特性可以通过异质结带弯曲和界面电荷分离来解释...

本研究通过优化的RF磁控溅射技术制备了基于多孔GaN/β-Ga₂O₃异质结的高性能双波段UV光电探测器。通过光电化学蚀刻制备了具有可调孔隙率的多孔GaN衬底，在20 V蚀刻电压下形成了高度连通的孔网络，从而增强了光捕获效果并扩大了有效异质界面面积。

系统优化溅射参数和RF功率后...

余红月：撰写 – 原稿撰写、方法论设计、数据分析。修慧心：撰写 – 审稿与编辑、原始稿撰写、验证、项目监督、资源协调、资金申请、概念构思。沈淑玲：撰写 – 审稿与编辑、项目监督、资源协调、项目管理。梁月：撰写 – 审稿与编辑、数据验证、实验分析、数据管理、概念构思。