【国际论文】Ag/Ga₂O₃/n-Si 肖特基型光电探测器用于可见光检测

        由土耳其苏莱曼·德米雷尔大学的研究团队在学术期刊 Journal of Materials Science: Materials in Electronics 发布了一篇名为 Ag/Ga₂O₃/n-Si Schottky-type photodetector for visible light detection（Ag/Ga₂O₃/n-Si 肖特基型光电探测器用于可见光检测）的文章。

        可见光光电探测器在图像传感、光通信、环境监测和生物医学等领域有广泛的应用。传统的硅（Si）基光电探测器是目前的主流技术，但它们通常存在响应度较低、响应速度不够快或制造成本高等问题。为了提升性能，研究人员致力于开发基于异质结的新型光电探测器结构。通过将不同能带结构的材料结合，可以优化光吸收、增强载流子分离效率，从而改善器件性能。氧化镓作为宽禁带半导体，通常用于紫外探测。然而，通过与窄带隙的硅形成异质结，有望利用其界面特性和能带对齐来增强可见光的探测能力。此外，在异质结中，顶部的金属电极不仅作为电学接触，其与半导体形成的肖特基结本身也会对光电响应产生重要影响。

        氧化镓（Ga₂O₃）作为超宽禁带材料，因其在电力电子、紫外线（UV）光探测器和气体传感器等领域的潜在应用而备受关注。在本研究中，采用电沉积技术在 n 型硅衬底上合成了 β 相 Ga₂O₃，并对其在结合硅与 Ga₂O₃ 的宽带检测光探测器应用中的性能进行了研究。通过X射线衍射仪（XRD）和扫描电子显微镜（SEM）结合能量色散X射线（EDX）分析，揭示了 Ga₂O₃ 的结构和形态特征。通过热蒸发技术在 Ga₂O₃/n-Si 界面获得银金属接触，并在 n-Si 背面获得铝欧姆接触。由此制备了 Ag/Ga₂O₃/n-Si 肖特基型光探测器，并通过电流-电压（I-V）测量对其性能进行了表征，测量条件涵盖从紫外到近红外（NIR）波段的不同光功率强度和波长。二极管特性以及光探测参数（如响应度、特定探测率和外部量子效率（EQE））均被详细测定并讨论。Ag/Ga₂O₃/n-Si 肖特基型光探测器表现出优异性能：响应度为 122.88 A/W，特异性探测率为 1.07 × 10¹² Jones，且在 700 nm 波长下外部量子效率（EQE）高达 2.18 × 10⁴%。所获得的 Ag/Ga₂O₃/n-Si 肖特基型光探测器在可见光范围内具有作为光电子应用候选器的巨大潜力。这些光探测器可用于可见光通信、光传感和摄像头等领域。

        采用电沉积技术在 n 型硅衬底上合成了 Ga₂O₃ 纳米结构，并通过 XRD、SEM 和 EDX 分析对这些结构进行了表征。XRD 谱图证实了 β 相 Ga₂O₃ 纳米结构的单斜晶体结构，通过多种方法测定的晶粒尺寸约为 15–40 nm。SEM 图像显示 n-Si 表面存在棒状结构，而 EDX 分析证实了 Ga₂O₃ 的化学计量比。Ga₂O₃/n-Si 异质结通过镀覆 Ag 接触层制备成 Ag/Ga₂O₃/n-Si 肖特基型光探测器。Ag/Ga₂O₃/n-Si 结构在 AM 1.5 日光条件下，对 351 至 800 nm 波长范围内的光功率密度（30 mW/cm²）进行了 I-V 特性测量。通过热电子发射理论、Norde 法和 Cheung 法从 I-V 特性中提取了 Ag/Ga₂O₃/n-Si 结的器件参数。理想因子和势垒高度值分别为 2.53 和 0.62 eV。随着光功率密度和波长的变化，测定了光电流、光敏度、响应度和比探测率值。Ag/Ga₂O₃/n-Si 肖特基型光探测器在 700 nm 波长下展现出 122.88 A/W 的响应度和 1.07×10¹² Jones 的比探测率。该光探测器在 700 nm 波长下展现出极高的 EQE 值（2.18×10⁴%），表明其在紫外到近红外波段具有良好的光电特性。

图1.（a）示意图及测量装置，（b）光学显微镜图像和（c）能量带图，展示了制备的 Ag/Ga₂O₃/n-Si 肖特基型光电探测器。

图2.（a）Ga₂O₃ 纳米结构的 XRD 衍射图谱和（b）修改后的 Scherrer 图。

DOI：

doi.org/10.1007/s10854-025-14892-y