【国内论文】中国科学技术大学龙世兵研究团队---基于MOCVD氧化镓晶相工程的ε-Ga₂O₃高性能深紫外光电探测器

        由中国科学技术大学的研究团队在学术期刊 Science China Materials 发布了一篇名为 Crystal-phase engineering of ε-Ga₂O₃ for high-performance deep UV photodetectors via MOCVD（基于 MOCVD 氧化镓晶相工程的 ε-Ga₂O₃ 高性能深紫外光电探测器）的文章。

        该项研究得到国家重点研发计划（2023YFB3610200 和 2024YFA1208800）、国家自然科学基金（61925110、U20A20207、62304215 和 62171426）、中国科学技术大学（WK2100000025、YD2100002009、YD2100002010 和 YD2100002007）、中国博士后科学基金（2023M733367）和中科院青年科学家基础研究项目（YSBR-029）的资助。研究部分工作在中国科学技术大学微纳尺度研究与制造中心完成。

        该团队关注深紫外光电探测器在未来信息通信、火焰监测和生物探测等领域的应用，其中 β-Ga₂O₃ 因其禁带宽度、优异的光电特性和可控的掺杂性成为理想材料。然而，通过金属有机化学气相沉积（MOCVD）制备高质量氧化镓薄膜，并实现高性能光电探测器，仍面临材料质量和器件性能提升的挑战。

        Ga₂O₃ 具有与深紫外光相对应的超宽带隙, 为颠覆性无滤波器深紫外光探测技术提供了一种优选光敏材料。 Ga₂O₃ 具有多种晶相, 拓宽了Ga₂O₃ 材料外延的衬底选择性。 其中, Ga₂O₃ 与商用 SiC 衬底的耦合能够推动 Ga₂O₃ 深紫外光电探测器的集成应用发展。本论文利用金属有机化学气相沉积技术, 在 4H-SiC 衬底上实现了 β-Ga₂O₃ 和 ε-Ga₂O₃ 的精细晶相调控。 通过对不同生长阶段 Ga₂O₃ 材料特性的分析发现, 生长气压具有 Ga₂O₃ 晶相调控能力, 500°C 生长温度下, 高生长气压易促进 β-Ga₂O₃ 形成, 而低生长气压有利于 ε-Ga₂O₃ 生长。 此外, 所研制 ε-Ga₂O₃ 深紫外光电探测器在深紫外光照下具有高响应度(~639 A/W)、大光暗电流比(~2.4×10⁷)、高外量子效率(~3.15×10⁵%)以及高比探测率 (~9.62×10¹³ Jones)等明显优势。 该工作不仅深入揭示了 Ga₂O₃ 薄膜在不同生长气压下的生长机理, 而且实现了 ε-Ga₂O₃ 与商用 SiC 衬底的异质集成, 同时器件具有高灵敏深紫外光探测能力, 为 Ga₂O₃ 光电器件的高密度集成应用提供技术参考。

图 1. Ga₂O₃ 薄膜的沉积和 SEM 表征。(a) 通过 MOCVD 在 4H-SiC 衬底上异质外延生长 Ga₂O₃ 的示意图。(b,c) 在不同生长条件下生长的具有代表性的 Ga₂O₃ 薄膜的顶视 SEM 图像。横轴表示生长过程中的腔室压力，纵轴表示不同的生长阶段：（b）初始阶段和（c）最终阶段。所有薄膜均在相同温度（500°C）下沉积。

DOI：

doi.org/10.1007/s40843-024-3245-6