【国内论文】中山大学裴艳丽教授团队---基于氢等离子体处理 MOCVD 生长的 β-Ga₂O₃ 高性能日盲光电探测器

       近日，由中山大学裴艳丽教授研究团队在学术期刊 Semiconductor Science and Technology 发布了一篇名为 High performance solar-blind photodetectors based on MOCVD grown β-Ga₂O₃ with hydrogen plasma treatment（基于氢等离子体处理 MOCVD 生长的 β-Ga₂O₃ 高性能日盲光电探测器）的文章。

       该研究得到吉林省科技发展计划项目（No. YDZJ202303CGZH022）、深圳市科技计划项目（GJHZ202209131 42807014，No. 20231127114207001） 国家重点研发计划（2024YFE0205300）和光电材料与技术全国重点实验室开放基金（OEMT-2023-KF-05）的支持。

       日盲紫外光电探测器在导弹预警、火焰探测、空间通信等领域具有广泛应用前景。β-Ga₂O₃ 由于其超宽禁带（4.9–5.2 eV）、高击穿场强和优异的抗辐照性能，成为理想的日盲紫外探测材料。金属-半导体-金属（MSM）型光电探测器因其结构简单、易于制造而被广泛研究和应用。该结构具有光电导增益，可获得高的探测灵敏度。然而，由于费米能级钉扎效应，高阻的 β-Ga₂O₃ 一般会与金属之间形成肖特基接触。虽然肖特基接触有利于降低光电探测器的暗电流，但光生载流子的收集效率和增益电子的注入效率会下降，同时也会引起探测器的持续光电导效应。而欧姆接触可以提升光生载流子的收集效率和增益电子的注入效率，避免了肖特基势垒引起的持续光电导，有望同时改善增益和响应度。

       随着对高效日盲紫外光探测器（SBPD）需求的不断增长，β-Ga₂O₃ 的优异特性引起了广泛关注。该研究基于 β-Ga₂O₃ 薄膜制备了具有金属-半导体-金属结构的 SBPD。采用金属有机化学气相沉积法在 c 面蓝宝石衬底上生长出 (-201) 择优取向的 β-Ga₂O₃ 薄膜。通过等离子体处理，在接触区域下方选择性地将氢作为浅施主引入 β-Ga₂O₃ 表层，以增强欧姆接触。制备出的探测器具有优异的性能，包括在 238 nm 波长下出色的响应度（3.0×10⁴ A W⁻¹）、比探测率（1.2×10¹⁷ Jones）及外量子效率（1.5×10⁷%）。此外，还实现了更快的响应速度。器件性能的提升归因于氢等离子体处理后具有更快的载流子传输速度和更高的增益电子注入效率。结果表明，在金属-半导体的接触处进行氢等离子体处理是一种实现高性能 β-Ga₂O₃ 日盲紫外光探测器的有效方法。

       ● 首次系统地将氢等离子体选区处理技术应用于 MOCVD 生长的 β-Ga₂O₃ 薄膜，并成功用于制造高性能日盲光电探测器。

       ● 清晰地揭示了氢对薄膜导电性提升的物理机制，同时实现了器件响应度和响应速度的提升。

       制备了基于 β-Ga₂O₃ 薄膜的 MSM 结构高性能 SBPD。通过在接触区域下方采用选区氢等离子体处理，引入了浅能级施主，显著改善了欧姆接触性能。该方法促进了载流子传输速度的提升和增益电子注入效率的提高，从而实现了更加优异的器件性能。制备的光电探测器实现了 3.0 × 10⁴ A W⁻¹ 的高响应度、1.2 × 10¹⁷  Jones 的比探测率、1.5 × 10⁷% 的量子效率以及更快的响应速度。该研究表明选区氢等离子体处理在提升 β-Ga₂O₃ 基光探测器光电性能方面的有效性，为推动高性能日盲紫外光探测技术的发展提供了有效指导。

图1. (a)薄膜的2θ-ω扫描曲线，插图为(-201)面的摇摆曲线；(b) SEM截面图。(c)薄膜的光学带隙，插图为光学透过率谱；(d) 氢等离子体处理样品的 SIMS 深度分布图

图2. 氢等离子体处理前的（a）表面形貌和（c）表面电势；氢等离子体处理后（b）表面形貌和（d）表面电势

DOI：

doi.org/10.1088/1361-6641/adc9dd