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【会员论文】东北师大李炳生教授团队：基于β-Ga₂O₃/SiO₂/Si nBn异质结且SiO₂阻挡层可调的日盲紫外探测器性能提升
日期：2025-08-27阅读：23
由东北师范大学李炳生教授的研究团队在学术期刊 Applied Surface Science 发布了一篇名为 Enhanced performance of solar-blind UV photodetectors based on β-Ga2O3/SiO2/Si nBn heterojunction with varied thicknesses of SiO2 blocking layer（基于 β-Ga2O3/SiO2/Si nBn异质结且 SiO2 阻挡层厚度可调的日盲紫外光探测器性能提升）的文章。
项目支持
本研究得到国家自然科学基金（NO. 62274027 和 62404039）、松湖材料实验室开放研究基金（2023SLABFK03）、111 中心（B25030）以及吉林省资金支持 （NO. 20220502002 GH）、中国青年科学家基金博士后项目（GZC20230416）以及中央高校基本科研业务费专项资金（2412024QD010）资助。
背 景
β-Ga2O3 是制造日盲紫外光电探测器的理想材料，但其性能受限于由本征缺陷引起的高暗电流和缓慢的响应速度。n-B-n 结构是一种先进的探测器设计，通过引入一个宽禁带的势垒层，可以有效阻挡暗电流，同时允许光生载流子顺利通过，从而实现低暗电流和高信噪比。将 β-Ga2O3 与传统的 Si 结合，并引入一层 SiO2 作为势垒层，有望构筑高性能的 n-B-n 型探测器。然而，中间 SiO2 势垒层的厚度是影响器件性能的关键因素，它直接决定了暗电流的抑制效果和光生载流子的输运效率，因此需要进行系统性的优化研究。
主要内容
本文通过引入不同厚度的 SiO2 阻挡层，制备了基于 β-Ga2O3/SiO2/n-Si nbn 异质结的日盲紫外光探测器，以抑制暗电流并提高光电流与暗电流的比值（Iphoto/Idark）。β-Ga2O3 薄膜通过金属有机化学气相沉积法沉积。由于 SiO2 屏障层的阻挡效应，器件的暗电流显著降低。与基于 β-Ga2O3/n-Si 异质结且未添加 SiO2 的器件相比，引入 SiO2 层后暗电流减少了五个数量级。在 254 nm 紫外光照射下，具有 50 nm SiO2 层的器件在 −6.5 V 偏压下光暗电流比达到 1.1 × 103，比无 SiO2 屏障层的器件高两个数量级。在 −10 V偏压下，具有 50 nm SiO2 屏障层的器件实现了 39.2 mA/W 的峰值响应度和 4.8 × 1012 cm·Hz1/2/W 的检测度。同时，持续光导效应显著抑制，衰减时间随屏障层厚度增加而减小，在具有 300 nm SiO2 屏障层的器件中达到 9.4 ms。
研究亮点
● 引入 SiO2 屏障层后显著抑制了异质结器件的反向漏电流。
● SiO2 屏障层厚度的变化会显著影响异质结器件的光电性能。
● SiO2 屏障层通过阻挡缓慢释放的俘获载流子抑制了持续光电导现象。
总 结
通过在 β-Ga2O3/n-Si 结构中引入 SiO2 屏障层，制备了高性能的日盲紫外光探测器。SiO2 层形成电势障壁，阻碍载流子传输，从而显著降低暗电流。与β-Ga2O3/n-Si 器件相比，β-Ga2O3/SiO2/n-Si 光探测器的暗电流减少了五个数量级。在 254 nm 紫外光照射下，具有 50 nm SiO2 层的器件在偏压为 −6.5 V 时，光暗电流比达到 1.1 × 103，较无屏障层的器件有显著提升。该器件的响应度和探测度分别测量为 39.2 mA/W 和 4.8 × 1012 cm·Hz1/2/W。此外，持续光导效应显著抑制。随着 SiO2 层厚度的增加，器件的响应速度得到提升。具有 300 nm SiO2 层的器件的衰减时间低至 9.4 ms。这些高性能的 Si 基 β-Ga2O3/SiO2/n-Si 异质结光探测器为日盲紫外线检测提供了成本效益高的解决方案，并为 Si 基电子电路的潜在集成提供了灵活性。
图1. β-Ga2O3/n-Si和β-Ga2O3/SiO2/n-Si器件结构的示意图。
图2. 不同厚度 n-Si 和 SiO2/n-Si 衬底上生长 β-Ga2O3 薄膜的 XRD 曲线。
DOI：
doi.org/10.1016/j.apsusc.2025.164243
