【会员论文】西安电子科技大学---Ga₂O₃肖特基光电二极管中压电效应的性能提升

        本研究部分由中国国家重点研发计划（项目编号：2023YFB4402303）资助；部分由国家自然科学基金委员会（项目编号：62293522、92364204 和 62304166）资助； 部分由中央高校基本科研业务费资助项目（项目编号：XJSJ24088）资助；部分由陕西省科学技术厅重点项目（项目编号：2024CY2-GJHX-81）资助；部分由陕西省博士后科研基金项目（项目编号：2023BSHEDZZ182）资助。

        因氧化镓固有的日盲特性（4.5–5.2 eV）以及高温和化学稳定性，被视为日盲性紫外线（SBUV）检测的战略材料。肖特基光电二极管是自供电 SBUV 检测的首选方案之一，因其可实现无线独立运行而备受关注。掺杂区中天然存在的内建电场（E_bi）使自供电器件易于制造且成本低廉。同时，其独特的多数载流子传输机制使其能够以较快速度检测紫外光。过去十年中，基于肖特基结的 Ga₂O₃ 光探测器取得了显著进展。然而，金属-半导体界面处常见的薄耗尽层和低势垒导致响应度相对较低，严重阻碍了其进一步的实际应用。受持续光导效应（PPC）的影响，该效应因 Ga₂O₃ 中的内在氧空位而加剧，大多数现有措施在提高响应度时不可避免地会降低响应速度。

        作为一种潜在的日盲紫外线（SBUV）检测架构，Ga₂O₃ 肖特基光电二极管的相对较低的响应度阻碍了其实际应用。受严重持续光导效应（PPC）影响，现有大多数方法虽能提升 Ga₂O₃ 光探测器的响应度，但需以牺牲响应速度为代价。本文利用紫外线照射下耗尽区诱导的界面热电效应，对 Ga₂O₃ 肖特基光电二极管的性能进行了优化。系统研究了光功率密度（PD）、入射波长、外加偏压及温度对基本热电效应特性及对应工作机制的影响。在 254 nm 波长、499 μ W/cm² 光照条件下，自供电器件展现出优异性能，包括响应度 R 为 0.056 A/W， 光暗电流比 PDCR 为 3.26×10⁶，高比检测率 D* 为 3.38×10¹³ Jones，以及 1.94/2.61 ms 的上升/下降时间。本研究为解决响应度与响应速度之间的长期权衡问题提供了有效方法，促进了 Ga₂O₃ 光探测器的实际应用。

        利用 E_bi 诱导的极性结构中产生的界面热电效应来提升光响应性能。基于 Ni/β-Ga₂O₃ 垂直 SBD 的自供电 SBUV 光探测器被制备出来。讨论了在不同外部刺激（即入射光强、波长、外部施加的偏压和温度）下热电效应的行为，以及其工作机制。由于热电效应，光电流的最大提升达到 21%。结合光电效应，制备的光探测器展现出优异性能，获得 R 值为 0.056 A/W，PDCR 为 3.26 × 10⁶，D∗为 3.38 × 10¹³ Jones，以及 t_r /t_d 为 1.94/2.61 ms。本研究不仅丰富了性能提升的策略，还揭示了 Ga₂O₃ 光探测器在各种环境中的实用性。

图1. (a) 基于 Ni/β-Ga₂O₃ 垂直 SBD 的自供电 SBUV 光电探测器的示意图。插图：制备设备的显微图像。刻度尺代表 100 µm。 (b) 制备 Ga₂O₃ 肖特基光电二极管的关键工艺步骤。

图2. 制备器件的 I–V 特性半对数图。灰色区域超出了 Keithley 4200A-SCS 的测量范围。

DOI：

doi.org/10.1109/TED.2025.3545002