【会员论文】南京邮电大学唐为华教授、郭宇锋教授&内蒙古工业大学：钝化工程提升 β-Ga₂O₃ 深紫外光电探测器的光电检测性能

        由南京邮电大学唐为华教授和郭宇锋教授联合内蒙古工业大学的研究团队在学术期刊 Physica Scripta 发布了一篇名为 Passivation engineering enhanced photodetection in β-Ga₂O₃ deep ultraviolet photodetectors（钝化工程提升 β-Ga₂O₃ 深紫外光电探测器的光电检测性能）的文章。

        这项工作部分受国家重点研发计划（项目编号：2022YFB3605404）资助，部分受国家自然科学基金（项目编号：62304113）资助。

        深紫外（DUV）光探测器在空间通信、火焰探测、臭氧层保护和导弹追踪等领域具有重要应用价值。尽管包括 AlGaN、MgZnO 和金刚石等多种材料已被用于 DUV 光探测器的制备，但具有宽禁带（>4.8 eV）的 β-Ga₂O₃ 由于其对太阳盲区紫外光的灵敏响应而备受关注。随着 MOCVD、HVPE、MBE、mist-CVD 等外延技术的发展，高质量 Ga₂O₃ 薄膜已能够制备，但其实际器件性能仍受制于氧空位缺陷和非理想电导等问题。迄今为止，β-Ga₂O₃ 光探测器大多采用 MSM 结构，性能提升主要依赖于薄膜生长优化和金属电极选择，但其响应度在弱信号条件下往往不足。为改善性能，研究者们尝试了氟掺杂、UV-臭氧处理、有机硅钝化等方法，但均存在局限。近年来，通过引入绝缘层构建 MISIM 结构并采用 Al₂O₃ 钝化已显示出显著提升光探测性能的潜力，因此成为 β-Ga₂O₃ 光探测器的重要研究方向。

        由于超宽禁带（>4.8 eV），β-Ga₂O₃ 在深紫外（DUV）光探测应用中受到广泛关注。然而，表面和界面态限制了 β-Ga₂O₃ 光探测器实现高响应度的能力。本研究通过引入 Al₂O₃ 钝化层来减缓 β-Ga₂O₃ 光探测器中的复合过程。优化后的器件，即金属-绝缘体-半导体-绝缘体-金属光探测器（MISIM PD），表现出卓越的 DUV 光探测性能。本文将 MISIM PD 的响应度、探测率、光暗电流比以及静态和动态特性与传统金属-半导体-金属（MSM）结构进行了比较。结果表明，MISIM PD 的响应度提高了最高 264.18%，探测率提高了 482.86%，光暗电流比提高了 853.14%。测得的光电流线性、光吸收和响应时间表明，由于 Al₂O₃ 的钝化作用，复合中心得到了显著减少。此外，利用 MISIM PD 进行的 DUV 成像进一步凸显了 Ga₂O₃ 基光探测器的优势。

        本研究成功制备了具有 MISIM 结构的 β-Ga₂O₃ 光探测器。研究结果表明，引入 Al₂O₃ 钝化层后，器件的光探测性能显著提升。在 10 V 偏压和 254 nm 波长照射下，MISIM 光探测器的响应度达到 306.39 mA/W，探测率为 4.18×10¹³ Jones，光暗电流比为 6.51×10⁵。与未钝化器件相比，其响应度、探测率和光暗电流比分别最高提高了 264.18%、482.86% 和 853.14%。光电流线性、光吸收以及开关特性测量结果进一步确认，这些性能的显著提升归因于钝化工程。此外，研究者还考察了 MISIM 光探测器在深紫外成像中的潜力，进一步凸显了其在弱信号检测方面的应用前景。

图 1. (a) β-Ga₂O₃/Al₂O₃ 深紫外光探测器的示意图。 (b) β-Ga₂O₃ 薄膜的拉曼光谱。 (c) β-Ga₂O₃/Al₂O₃ 薄膜在蓝宝石衬底上的 X 射线衍射（XRD）谱。X 射线光电子能谱（XPS）为 (d) β-Ga₂O₃ 薄膜和 (e) 沉积的 Al₂O₃ 薄膜。

图 2. (a) MISIM 和 MSM 光探测器的响应度随波长的变化。 (b) 探测率随波长的变化。 (c) MSM 光探测器的电流-电压（I-V）特性曲线。 (d) MISIM 光探测器的 I-V 特性曲线。

图 3. (a) 两种光探测器的响应度随光强的变化。 (b) 探测率随光强的变化。 (c) 两种光探测器的响应度随偏压变化。 (d) 两种光探测器的探测率随偏压变化。

图 4. (a) 两种光探测器的拟合光电流随光强变化。 (b) 两种器件的吸收光谱。 (c) MSM 光探测器的电流-时间（I-t）曲线。 (d) MISIM 光探测器的 I-t 曲线。单周期开关特性： (e) MSM 光探测器，(f) MISIM 光探测器，在 10 V 偏压和 100 μW/cm² 光强下。

图 5. 能带图及示意图： (a) MSM 光探测器，(b) MISIM 光探测器。 (c) 深紫外成像系统的光路示意图。 (d) 在 255 nm 波长下，使用 “NJUPT” 掩模获得的成像结果。

DOI：

doi.org/10.1088/1402-4896/ae04ac