【会员论文】CGD丨西安工程大学&西电郝跃院士、马晓华教授团队：晶圆级纳米多孔GaN基N掺杂β-Ga₂O₃日盲光探测器的制备与特性研究

        在 200-280 nm 波段的日盲紫外探测在火焰预警、深空通信及生化检测等领域具有核心价值。β-Ga₂O₃ 凭借 4.8 eV 的超宽带隙，无需复杂滤光片即可实现理想的日盲响应，是该领域的明星材料。传统的 β-Ga₂O₃ 探测器常面临光响应速度慢（受持续电导效应 PPC 影响）、暗电流高以及大面积制备一致性差的问题。此外，β-Ga₂O₃ 极低的热导率也限制了其在高功率环境下的稳定性。将氧化镓与 GaN 构建异质结是提升性能的常见方案。引入纳米孔 GaN（NP-GaN）作为衬底具有多重意义：首先，纳米孔结构可以显著增加有效感光面积；其次，孔洞结构能有效释放异质外延生长中的晶格应力，减少界面缺陷；最后，纳米级结构能诱导局部电场增强，加快载流子的分离。纯氧化镓中的氧空位往往导致较高的背景电子浓度和严重的 PPC 效应。通过 N 掺杂，可以调节载流子浓度，优化界面能带对准，从而改善探测器的线性度和响应速度。

        通过电化学蚀刻和脉冲激光沉积技术，制备了基于氮掺杂 β-Ga₂O₃ 的晶圆级纳米多孔 GaN 基日盲光探测器（NP-GaN/N-Ga₂O₃）。不同氮掺杂浓度的 NP-GaN/N-Ga₂O₃ 薄膜均呈现 [−201] 取向结构。氮掺杂后，NP-GaN/N-Ga₂O₃ 的缺陷相关光致发光（PL）强度显著减弱，表明氮掺杂使 β-Ga₂O₃ 薄膜从直接带隙转变为间接带隙。随着氮掺杂浓度增加，NP-GaN/N-Ga₂O₃ 薄膜的缺陷相关 PL 强度逐渐减弱，这是由于 β-Ga₂O₃ 薄膜中缺陷密度降低所致。与生长后的氮掺杂 β-Ga₂O₃（AG-GaN/N-Ga₂O₃）相比，NP-GaN/N-Ga₂O₃ 的 PL 强度较弱，这是由于 NP-GaN 的应力松弛和缺陷密度降低改善了 β-Ga₂O₃ 薄膜的晶体质量。β-Ga₂O₃（−201）|| GaN（0001）与 β-Ga₂O₃ [010] || GaN [−12–10] 的外延关系得到证实。与未掺杂的 β-Ga₂O₃ 光电二极管相比，N 掺杂的 β-Ga₂O₃ 光电二极管具有更低的暗电流和更短的上升/衰减时间，这是由于 N 掺杂降低了氧空位密度。

        ● 利用 NP-GaN 的几何特性实现了局域电场的分布优化，这种三维界面设计有效克服了传统平面异质结光吸收不足的问题。

        ● 首次系统探讨了 N 掺杂在 NP-GaN 模板上对 β-Ga₂O₃ 电子结构的调制作用，证明了 N 元素能有效钝化界面态，减缓捕获效应引起的信号迟滞。

        ● 实现了晶圆级的制备工艺，证明了该方法在大面积均匀性生产中的可行性，为工业化应用奠定了基础。

        通过电化学蚀刻和脉冲激光沉积技术，制备了基于氮掺杂 β-Ga₂O₃ 的晶圆级纳米多孔 GaN 基日盲光探测器（NP-GaN/N-Ga₂O₃）。不同氮掺杂浓度的 NP-GaN/N-Ga₂O₃ 薄膜均呈现 [−201] 向结构。氮掺杂后，NP-GaN/N-Ga₂O₃ 的缺陷相关光致发光（PL）强度显著减弱，表明氮掺杂使 β-Ga₂O₃ 薄膜从直接带隙转变为间接带隙。随着氮掺杂浓度增加，NP-GaN/N-Ga₂O₃ 薄膜的缺陷相关 PL 强度逐渐减弱，这是由于 β-Ga₂O₃ 薄膜中缺陷密度降低所致。与生长后的氮掺杂 β-Ga₂O₃（AG-GaN/N-Ga₂O₃）相比，NP-GaN/N-Ga₂O₃ 的 PL 强度较弱，这是由于 NP-GaN 的应力松弛和缺陷密度降低改善了 β-Ga₂O₃ 薄膜的晶体质量。β-Ga₂O₃（−201）|| GaN（0001）与 β-Ga₂O₃ [010] || GaN [−12–10] 的外延关系得到证实。与未掺杂的 β-Ga₂O₃ 光电二极管相比，N 掺杂的 β-Ga₂O₃ 光电二极管具有更低的暗电流和更短的上升/衰减时间，这是由于 N 掺杂降低了氧空位密度。

        本研究得到中国陕西高校优秀青年人才支持计划、陕西省重点研发计划（2025CY-YBXM-052）、西安市科技项目（25GXKJRCO0069）、 咸阳市“科学家+工程师”队伍建设项目（L2024-CXNL-KJRCTDDWJS-0008）；陕西省技术创新引导项目（2025ZC-YYDP-30；2025ZC-YYDP39）； 中国大学生创新创业训练计划（S202510709118）；陕西省教育厅重点项目（25JP069）；陕西省“科学家+工程师”队伍建设项目；西安理工大学本科生代表性成果专项计划 (2025bzcg20)。

图1. 不同氮浓度（0、1、2 和 3 at%）的 NP-GaN 基 N 掺杂 β-Ga₂O₃（NP-GaN/N-Ga₂O₃）的（a）能谱（EDS）图谱与（b）轮廓仪谱图。

图2. 不同氮浓度的 NP-GaN/N-Ga₂O₃ 材料：(a) 高分辨 X 射线衍射图谱；(b) 拉曼光谱。

图3. 不同氮浓度下 NP-GaN/N-Ga₂O₃ 的发光光谱。

图4. NP-GaN/N-Ga₂O₃（3 at%）的（a）晶圆级照片，以及（b）O、（c）Ga和（d）N的EDS谱图。

图5. NP-GaN/N-Ga₂O₃（3 at %）的（a）XRD Φ 扫描谱图（显示 GaN {10−12} 面与β-Ga₂O₃ {−401} 面），以及（b）截面 SEM 图像。

图6. 基于 AG-GaN 的 N 掺杂 β-Ga₂O₃（AG-GaN/N-Ga₂O₃）（3 at %）与NP-GaN/N-Ga₂O₃（3 at %）的（a）轮廓仪谱图、（b）高分辨 X 射线衍射图谱及（c）光致发光谱图。

图7. NP-GaN/Ga₂O₃ 光电二极管结构示意图。

图8. 未掺杂光电二极管（NP-GaN/u-Ga₂O₃ PDs）与 N 型掺杂光电二极管（NP-GaN/N-Ga₂O₃（3 at %）PDs）的（a, b）I-V 曲线、（c, d）10 V 电压下的时间依赖性光电流曲线，以及（e, f）对应的拟合曲线。

图9. NP-GaN/u-Ga₂O₃ 光电二极管与 NP-GaN/N-Ga₂O₃（3 at %）光电二极管的表面粗糙度曲线。

图10. (a) NP-GaN/u-Ga₂O₃ 光电二极管与 (b) NP-GaN/N-Ga₂O₃ (3 at %) 光电二极管的能带图。

DOI：

doi.org/10.1021/acs.cgd.5c01767