【国内论文】上海电机学院王相虎教授团队：β-Ga₂O₃/GaAs异质结的生长温度对其结构、器件特性及载流子传输机制的影响

        该项目得到中国国家自然科学基金（U22A2073, 11974433, 91833301）提供的资金支持。

        β-氧化镓（β-Ga₂O₃）是一种超宽禁带半导体，因其优异的光电特性，在日盲紫外光电探测器、功率电子等领域有重要应用价值。由于 β-Ga₂O₃ 难以实现有效的 p 型掺杂，构筑异质结是提升器件性能（如降低暗电流、提高灵敏度）的关键策略之一。砷化镓（GaAs）是一种成熟的半导体材料，与 β-Ga₂O₃ 结合有望制备出高性能的异质结器件。脉冲激光沉积是一种能够在较低温度下制备高质量薄膜的技术，但生长温度是决定薄膜结晶质量、缺陷密度和表面形貌的关键参数，进而直接影响最终器件的性能。因此，系统性地研究 PLD 生长温度对 β-Ga₂O₃/GaAs 异质结材料与器件性能的影响，对于优化工艺和开发高性能探测器至关重要。

        Ga₂O₃ 具有宽带隙和优异的光电性能，使其在紫外光探测器、大功率电子器件和透明导电材料领域具有重要应用价值。本研究采用脉冲激光沉积技术在掺硅 GaAs(100) 衬底上生长 Ga₂O₃ 薄膜，并制备了 Ga₂O₃/GaAs 异质结日盲紫外探测器。通过优化生长温度获得高品质薄膜：当生长温度从 500℃ 升至 700℃ 时，沉积于衬底的晶粒获得充分能量进行迁移与成核，从而提升薄膜结晶度并减少缺陷。此外，沉积过程中氧气气氛的存在降低了氧空位浓度，进一步减少了氧空位相关缺陷。由此，该探测器实现了外部量子效率提升 164 倍、响应度增强 241 倍、I_photo/I_dark 比值提高 44.5%。这些成果为开发高性能 β-Ga₂O₃/GaAs 异质结日盲紫外探测器奠定了实验基础。

        ● 通过脉冲激光沉积法在砷化镓基底上制备 Ga₂O₃/GaAs 异质结，用于日盲紫外检测。

        ● 通过优化生长温度（500–700 °C）改善迁移/成核过程，显著提升 Ga₂O₃ 结晶度并减少缺陷。

        ● 探测器实现 164x 电子量子效率、241倍响应度，I_photo/I_dark 比提升44.5%，成功实现日盲检测。

        本研究采用脉冲激光沉积法（PLD）在硅掺杂（100）GaAs 衬底上生长 Ga₂O₃ 薄膜，重点探讨了生长温度的影响。实验表明，在较高温度下沉积的薄膜质量显著提升。这种增强可归因于基底表面吸附原子的高迁移率及结晶过程，从而获得更优的薄膜结晶度和更低的缺陷率。基于该薄膜，成功制备出具有日盲响应特性的 Ga₂O₃/GaAs 异质结紫外光探测器。在 700℃ 条件下制备的器件表现出卓越性能：与基于低质量 β-Ga₂O₃ 薄膜的器件相比，其量子效率和响应度分别提升 164 倍和 241 倍，光暗电流比提高 44.5%。本研究为优化 β-Ga₂O₃ 沉积工艺及开发高性能 β-Ga₂O₃/GaAs 异质结日盲紫外光探测器提供了关键指导。

图 1. （a）β-Ga₂O₃ 的 XRD 图谱（插图：根据（-311）衍射峰计算出的晶粒尺寸）；（b）β-Ga₂O₃ 的 XRD（-311）衍射峰的半高宽比较。

图2. (a-c) 在 (a) 500 °C、(b) 600 °C 和 (c) 700 °C 下生长的 β-Ga₂O₃ 薄膜的截面扫描电子显微镜图像； (d-f) 衬底温度分别为 (d) 500 °C、(e) 600 °C和 (f) 700 °C 时生长的 β-Ga₂O₃ 原子力显微镜形貌图。

图3. (a) β-Ga₂O₃ 的拉曼光谱；(b) 局部区域的放大拉曼光谱；(c) β-Ga₂O₃ 薄膜的荧光光谱；(d) 荧光光谱中峰 I 的半高宽。

图4. (a-c) 器件在 500 °C、600 °C 和 700 °C 的 I-V 特性曲线（线性坐标）；（插图：对数坐标）； (d) 器件在 500 ℃、600 ℃ 和 700 ℃ 在 1 V @ 129 mW/cm² 条件下 EQE 与 R 的对比。

图5. (a) β-Ga₂O₃/GaAs 异质结光探测器结构示意图； (b) β-Ga₂O₃ 与 GaAs 异质结能带对齐示意图；(c-d) β-Ga₂O₃/GaAs 异质结器件（Device-500 ℃ 与 600 ℃）在 (c) 零偏压及 (d) 正向偏压紫外照射下的能带示意图；(e-f) 700 ℃ 器件在 (e) 零偏压和 (f) 正向偏压紫外照射下的对应能带图。

DOI：

doi.org/10.1016/j.mseb.2025.118767