【国内论文】广东技术师范大学：基于铝掺杂尖晶石氧化镓薄膜的高性能日盲光电探测器

        本文由国家重点研发计划（2023YFB2906000）、国家自然科学基金（62375055）、广东省基础与应用基础研究基金（2023B1515020088）、广州市基础研究计划基础与应用基础研究项目（2025A04J5417）以及广东第二师范学院启动资金（2022SDKYA013）资助。

        日盲深紫外（DUV）光电探测器因其在火焰探测、导弹预警和安全通信等领域的关键应用而备受关注。γ 相氧化镓（γ-Ga₂O₃）是一种超宽禁带半导体，具有高击穿场强和良好的热稳定性，是制造高性能 DUV 探测器的潜力材料。然而，γ-Ga₂O₃ 探测器的实际性能受到其内部高密度本征缺陷的限制，尤其是氧空位。这些氧空位缺陷会充当陷阱态，虽然能通过俘获空穴产生光电导增益，但也导致了巨大的暗电流和严重的持续光电导（PPC）效应，使得器件响应速度极慢，严重制约了其实际应用。因此，寻找一种有效的方法来抑制氧空位的负面影响，是提升 γ-Ga₂O₃ 探测器综合性能的关键。

        亚稳态 γ 相氧化镓（Ga₂O₃）基半导体材料因在开发高性能宽禁带光电器件方面的潜力而备受关注。然而，单相晶体合成困难以及亚稳态 γ-Ga₂O₃ 热稳定性差的问题严重阻碍了其潜在应用。在本研究中，通过实验展示了在 750°C 下于 α-Al₂O₃（0001）衬底上通过铝（Al）掺杂实现 γ-Ga₂O₃ 薄膜的外延生长。基于铝掺杂 γ-Ga₂O₃ 薄膜的日盲光电探测器成功制备，并对其性能进行了详细研究。得益于铝掺杂 γ-Ga₂O₃ 的高晶体质量和无氧空位，该日盲光电探测器表现出极低的暗电流、快速的衰减时间、高探测率、出色的波长选择性以及良好的稳定性和重现性。值得注意的是，当光强和偏置电压增加时，该器件未出现明显的性能下降，表明其具有良好的自散热性能，这对未来实际应用十分有利。基于 γ-Ga₂O₃ 薄膜的光电探测器可能会为获取高性能的薄膜型日盲紫外光电子器件开辟新的可能性。

        ● 首次系统地研究了通过 MOCVD 法对 γ-Ga₂O₃ 进行 Al 掺杂，并阐明了其对材料特性和光电探测器性能的影响规律。

        ● 通过多种表征手段，清晰地揭示了 Al 掺杂通过钝化氧空位来同时解决 Ga₂O₃ 探测器响应速度慢和暗电流大两大核心瓶颈的物理机制。

        ● 成功制备出兼具高响应度、高探测率和亚秒级快速响应的 γ-Ga₂O₃ 日盲探测器，其综合性能在同类器件中处于领先水平。

        通过射频磁控溅射法在 α-Al₂O₃（0001）衬底上外延生长了掺铝 γ-Ga₂O₃ 薄膜，成功将生长温度提高到 750 °C。基于所生长薄膜的日盲紫外光电探测器表现出优异的日盲紫外光电性能。在 100 μW cm⁻² 254 nm 光照和 50 V 偏压下，该器件的上升和衰减时间分别为 0.71 s/6.05 s 和 0.40 s，响应度为 0.26 A W⁻¹，探测率为 1.79×10¹²，外量子效率为 124.92%，并且具有高稳定性和可重复性。值得注意的是，该器件在光强和偏压增加时未出现明显的性能下降。这表明该器件具有良好的自散热性能，这将有利于其未来的实际应用。此外，该器件表现出优异的波长选择性，日盲/可见光抑制比为 60.98，对波长大于 280 nm  的光子几乎不敏感。这些结果表明，基于 γ-Ga₂O₃ 薄膜的光电探测器为获得高性能的薄膜基日盲紫外光电器件开辟了新的可能性。

图 1 为 MSM 结构光电二极管的示意图。

图 2 （a）未掺杂和铝掺杂的  Ga₂O₃ 薄膜的 XRD 图谱。X 射线摇摆曲线：（b）铝掺杂薄膜的 γ-Ga₂O₃（111）和（c）未掺杂薄膜的 β-Ga₂O₃（-201）。

图 3 （a）掺铝 γ-Ga₂O₃ 和未掺杂 β-Ga₂O₃ 薄膜的扫描电子显微镜（SEM）图像。（b）掺铝 γ-Ga₂O₃ 和未掺杂 β-Ga₂O₃ 薄膜的紫外-可见吸收光谱，插图为（αhν）² 和（αhν）^1/2 与 hν 的关系图。

图 4 （a）掺铝 γ-Ga₂O₃ 薄膜的 XPS 宽扫描光谱和（b）Al 2p 的核心能级。掺铝 γ-Ga₂O₃ 和未掺杂 β-Ga₂O₃ 薄膜的（c）Ga 3d 和（d）O 1s 的核心能级。

图 5 （a）在暗态和 365 nm 光照射下，基于掺铝 γ-Ga₂O₃ 薄膜的 MSM 结构光电二极管的 I-V 特性。（b）在暗态和不同光强的 254 nm 光照射下，该器件的 I-V 特性。

图 6 为不同条件下基于掺铝 γ-Ga₂O₃ 薄膜的 MSM 结构光电探测器的时变光响应：（a）在 50 V 电压下不同光强下的器件光响应；（b）在 100 μW cm² 光强下不同偏置电压下的器件光响应；（c）在 50 V 电压下不同光强下器件电流上升和衰减过程的实验曲线和拟合曲线；（d）在 100 μW cm² 光强下不同偏置电压下器件电流上升和衰减过程的实验曲线和拟合曲线；（e）长时间测试及存储一个月后器件的光响应稳定性。

图 7 （a）掺铝 γ-Ga₂O₃ 薄膜基 MSM 结构光电探测器的响应度和探测率随偏置电压的变化情况。（b）该器件的外量子效率随偏置电压的变化情况。（c）该器件的响应度和探测率随光强的变化情况。（d）该器件的外量子效率随光强的变化情况。

图 8 为掺铝 γ-Ga₂O₃ 薄膜基 MSM 结构光电探测器的归一化光谱选择性。

DOI：

doi.org/10.1039/D5RA06475A