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【会员论文】厦门大学龙浩课题组在Ga₂O₃界面控制、表征及光电器件研究中取得系列进展
日期：2025-09-19阅读：34
超宽禁带半导体 Ga2O3 因其优异的材料特性，在日盲紫外探测器、大功率电子器件领域具有广阔的应用前景。在 Ga2O3 光电器件中，界面调控是高性能器件稳定工作的前提。近期，厦门大学龙浩副教授课题组在 Ga2O3 光电器件的界面调控方面取得系列进展，为进一步理解 Ga2O3 界面机制提供思路。
01 Ga2O3 基 MOS 电容界面调控及高性能肖特基二极管
MOS 电容结构是 MOSFET 器件中栅控的核心部分。其中的界面缺陷会强烈影响 MOSFET 的开启电压等特性。课题组通过高/低频 C-V、回滞 C-V 和正向应力 C-V 三种测试方法分别表征了高低温下Al2O3/Ga2O3基 MOS 电容的中的界面态缺陷（Dit）、边界缺陷和体缺陷。并采用氧气等离子处理、高温氧退火等手段将 Al2O3/Ga2O3 界面缺陷态密度降低了 80%，提升了 MOS 结构的开启电压稳定性。基于以上界面态研究，课题组进一步研究了热氧化 Ti 金属形成 TiO2 插入层，实现了高性能 Ga2O3 基肖特基二极管。相比于传统 SBD，该器件的 PFOM 提高了 16 倍。
图1：（a-d）Al2O3/Ga2O3基MOS电容的界面态及漏电流研究；（e-f）基于界面态调控的Ga2O3基SBD性能改善。
02 Ga2O3 基光电探测器中的界面态研究及高性能光电探测器
在 Ga2O3 基光电探测器中，界面态的存在对载流子输运产生重大影响，但界面缺陷在光暗态以及光/暗切换时的行为尚未得到系统研究。课题组通过不同温度下的变频 C-V 测试了 Ga2O3 基 MSM-光电探测器的界面特性。实现发现，MSM-PD 中界面态密度随着温度和偏压上升，其对载流子的捕获时间随着温度下降。暗态下，MSM-PD 电流以 PF 遂穿机制为主；光照时，光生载流子以热电子发射 TE 模式为主。探测器的响应时间受到界面缺陷的载流子填充过程制约。基于以上界面态研究，课题组近年来与厦大张洪良老师课题组、杨伟锋老师课题组合作研究了基于法布里-帕罗(FP)微腔的 MSM-PD, 基于p-(Al)GaN/n-Ga2O3 的 PN 结探测器。其中，基于FP微腔的 MSM-PD 响应度曲线半峰宽仅为 18.4nm；基于p-(Al)GaN/n-Ga2O3 的异质结探测器，零偏压下UVC/UVB（R247nm /R300nm）和 UVC/UVA 选择比（R247nm /R360nm）分别达到 1.47×105 和 3.71×105；单指数响应时间仅为 31μs。
图2：（a）MSM-PD中界面态对电流传导机制影响；（b）超快的 Ga2O3 基PN结光电探测器；（c）高选择比的 Ga2O3 的PN结光电探测器；（d）课题组 Ga2O3 基异质结PD的关键指标对比。
03 科研支持
本研究获国家自然科学基金（62174140）资助。
04 论文列表
(1) Cai, Z.; He, X.; Wang, K.; Hou, X.; Mei, Y.; Ying, L.; Zhang, B.; Long, H. Enhancing Performance of GaN/Ga2O3 P‐N Junction Uvc Photodetectors via Interdigitated Structure. Small Methods 2023, 8 (7), 2301148.
(2) Chen, S.; Du, S.; Wang, K.; Qiao, L.; Zhang, C.; Yang, W.; Li, Q.; Zheng, Z.; Mei, Y.; Long, H. Improved β-Ga2O3 Schottky Barrier Diodes via Thermal Oxidation of Titanium Insertion Layer. Micro and Nanostructures 2024, 190, 207831.
(3) He, X.; Sun, R.; Xu, X.; Geng, H.; Qi, S.; Zhang, K. H.; Long, H. Excellent Wavelength Selectivity of P-AlGaN/n-Ga2O3 Solar-Blind UVC PD. ACS Appl. Mater. Interfaces 2024, 16 (46), 64146–64155.
(4) Du, S.; Lin, Y.; Xu, H.; Long, H. Investigation of Interface, Border and Bulk Traps of Al2O3/β-G2O3 MOS Capacitors via O2 Plasma Treatment. Micro and Nanostructures 2025, 198, 208058.
(5) Sun, R.; Xu, H.; He, X.; Xu, X.; Du, S.; Zhang, K. H.; Long, H. Current Mechanism and Interface States in Ga2O3 MSM Solar-Blind Photodetector. Surfaces and Interfaces 2025, 72, 106949.
(6) Lin, Y.; Du, S.; Long, H. Effect of Oxygen in the Annealing Treatment of Al2O3/β-Ga2O3 MOS Capacitors. Micro and Nanostructures 2025, 208, 208321.
(7)Taoan Wang, Xiyao He, Hao Xu, Ruoting Sun, Xiangyu Xu, Kelvin Hongliang Zhang, Hao Long. Enhanced Performance of Ga2O3-based MSM-PD by Fabry-Pérot microcavity. Optics Letters (accepted)
