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【国内论文】福州大学李悌涛、张海忠团队联合上海光机所齐红基研究员：二维台阶流生长和漂移区优化的超高性能光伏氧化镓日盲紫外探测器
日期：2025-08-29阅读：32
由福州大学李悌涛、张海忠团队联合上海光机所齐红基研究员的研究团队在学术期刊 ACS Applied Materials & Interfaces 发布了一篇名为Ultrahigh-Performance Photovoltaic Ga2O3 Solar-Blind Ultraviolet Detectors via Two-Dimensional Step-Flow Growth and Drift Region Optimization（通过二维台阶流生长和漂移区优化实现超高性能光伏 Ga2O3 日盲紫外探测器）的文章。
项目支持
本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：62204270）、福建省重大科技专项（项目编号：2022HZ027006）、泉州市科技重大专项（项目编号：2022GZ7）、福建省科学技术厅（福建省产学研合作项目，项目编号：2023H6030）以及福建省自然科学基金面上项目（项目编号：2024J01251）的资助。
背 景
日盲紫外（SBUV）波段提供了一个特别“干净”的探测窗口，可应用于火灾监测、臭氧空洞监测、导弹预警以及电晕放电监测等领域。如今，对于光伏型日盲紫外光电探测器（SBPD）的需求日益增长，这类器件应具备光谱选择性、高量子效率以及零功耗特性，尤其适用于无电源供电的应用场景。能够对 SBUV 波段实现选择性响应的宽禁带半导体材料包括 Ga2O3、 AlxGa1-xN 以及 MgxZn1-xO 等体系。相较后两者而言，Ga2O3 具有 4.8 eV 的超宽带隙，是天然的日盲紫外吸收材料，无需通过合金化的带隙调控过程即可实现对 SBUV 光的选择性响应。此外，大量研究表明其在极端辐照条件和高温环境下仍能保持优异的工作性能。这些特性使 Ga2O3 成为制备高性能日盲紫外光电探测器的理想材料。
主要内容
光伏型日盲紫外光电探测器（SBPD）无需外部电源即可工作，满足诸如森林火灾监测和大气臭氧层观测等极端环境中的关键需求。氧化镓（Ga2O3）因其耐辐射性和高温稳定性，在极端应用中具有重要潜力。在此提出了一种新颖的同质外延策略，用于制备“原子级平整”的台阶流 Ga2O3 光敏层，并成功制备了器件级 Ga2O3/n+- Ga2O3 同质结光伏 SBPD 器件。在零偏压条件下，这些器件展现出 1.0 V 的最大开路电压、59.5%的超高外量子效率以及 100 ns 的超快响应时间，且即使在 390 K 的高温下仍能保持稳定的性能。通过实现二维台阶流生长模式，有效抑制了体缺陷和界面缺陷，实现了理想的能带匹配。此外，通过优化 Ga2O3 层构建的高质量耗尽区促进了载流子的漂移，从而实现高效的载流子收集。该工作充分挖掘了 Ga2O3 SBPD 在极端环境中的应用潜力，并提供了一种有效的设计策略，为实现零功耗、高响应度和快速响应的光伏探测器提供参考。
创新点
● 本研究开发了一种独特的二维台阶流生长技术，成功制备出具有低缺陷密度的原子级平整 Ga2O3 薄膜，为后续高性能器件的实现奠定了基础。
● 通过优化器件结构和漂移区，成功设计并制备出零功耗模式下稳定工作的肖特基势垒光电二极管。
● 零偏压下，该器件同时实现了高外量子效率、超快响应速度和低暗电流等多项关键性能指标，显示了 Ga2O3 在极端环境下的应用潜力。
结 论
本研究成功利用 MOCVD 在 n+- Ga2O3 衬底上成功制备了基于高质量 Ga2O3 薄膜的垂直肖特基光电二极管。在零功耗模式下，该器件在 246 nm 下表现出较高的响应度（118 mA/W）和高外量子效率（59.5%），表明其在无需外部供电的极端环境应用中具有潜力。此外，该器件具有极低的暗电流（0.31 pA）、在 ±5 V 下超过 107 的整流比、1.53×104 的光电流对暗电流比（PDCR），以及分别为 100 ns 和 320 μs 的上升和衰减时间，展示了卓越的性能。这些特性归因于 Ga2O3 外延层优异的台阶流形貌和低缺陷密度。同时，薄层和低载流子浓度使得器件在顶部 Pt 电极与底部 n 型导电衬底的作用下实现完全耗尽，形成了宽的空间电荷区，从而优化了载流子的分离与收集效率，实现了在无外加偏压下接近最佳的性能。本研究开发的 Ga2O3 光伏型肖特基光电二极管在远程臭氧空洞监测、森林火灾探测和电晕放电监测等极端环境应用中展现出显著潜力。
图1. 零功耗日盲紫外探测器的应用场景及不同类型探测器工作模式的比较(a)高 VOC 零功耗模式 SBPD 的应用场景示意图。(b) 在 0 V 时即可达到最佳工作性能的高 VOC 探测器与需要施加偏置才能工作的低 VOC 探测器性能对比示意图。
图2. β-Ga2O3 同质外延层的生长与表征。 MOCVD 生长工艺示意图 (a)、β-Ga2O3 同质外延层表面1 × 1 μm2 区域的AFM图像 (b)、β-Ga2O3 同质外延层的截面SEM图像 (c)、β-Ga2O3 同质外延层的高分辨透射电子显微镜（HRTEM）图像 (d)、沿[00"1" ̅]区轴拍摄的β-Ga2O3 同质外延层选区电子衍射（SAED）图案 (e)、β-Ga2O3 薄膜的 XRD图谱及插图中的摇摆曲线 (f)、以及(g)激发波长为 325 nm 时的 β-Ga2O3 薄膜拉曼光谱。
DOI：
doi.org/10.1021/acsami.5c12206
