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【会员论文】Optics Letters丨南京邮电大学：利用缺陷诱导内增益制备图形化蓝宝石衬底上的高性能β-Ga₂O₃光电探测器
日期：2026-04-16阅读：31
稳定性和高击穿场强，被公认为是制备高功率、耐高温深紫外光电探测器的核心材料。与氮化铝镓（AlGaN）不同，氮化铝镓需通过成分调控才能实现深紫外探测，而 β-Ga2O3 无需外接滤光片即可高效实现深紫外探测，大幅简化了器件设计流程。此外，β-Ga2O3 可通过化学气相沉积（CVD）、分子束外延（MBE）、熔体生长等多种可规模化制备的方法合成，为大面积衬底的制备提供了高成本效益的技术路径。图形化蓝宝石衬底（PSS）被广泛用于提升异质外延薄膜的质量，降低位错密度并优化器件的光电性能。目前已有大量关于在图形化蓝宝石衬底上生长 α-Ga2O3 的相关研究，但针对 β-Ga2O3 的研究却十分有限。近期研究表明，采用金属有机化学气相沉积 （MOCVD） 法在图形化蓝宝石衬底上通过外延横向过生长 （ELO） 技术制备 β-Ga2O3，并未实现预期的薄膜质量和光电探测器性能提升，这也凸显出亟需进一步研究 β-Ga2O3 基光电器件的生长工艺并对其进行优化。
主要内容
该团队报道了一种基于 β-Ga2O3 薄膜的深紫外金属 - 半导体 - 金属型光电探测器，该 β-Ga2O3 薄膜通过化学气相沉积法制备于图形化蓝宝石衬底上，同时该团队也制备了以平面蓝宝石衬底上生长的薄膜为基底的对照器件。据团队所知，这是首次制备出具有（510）择优取向的 β-Ga2O3 薄膜。图形化蓝宝石衬底上生长的该薄膜存在高缺陷密度，包括结构无序、氧空位和悬键等缺陷；尽管器件的暗电流相对较大，但强内增益效应与非本征跃迁作用使其实现了优异的响应度（106.5 A/W）和比探测率（1.36×10¹³ Jones）。器件的紫外 / 可见光抑制比（R255/R400）超过 10⁴，这一指标进一步证实了其探测灵敏度。本文还针对缺陷对暗电流增大和响应速度变慢的影响展开了全面分析。这些研究结果为 β-Ga2O3 在图形化蓝宝石衬底上的生长机制提供了重要见解，同时也凸显出该材料在制备可规模化、高成本效益的日盲光电探测器方面的应用潜力。
创新点
• 通过化学气相沉积 （CVD） 在 PSS 上成功生长出首种具有（510）择优取向的 β-Ga2O3 薄膜，为 β-Ga2O3 的晶向调控和生长机制研究提供了全新方向。
• 采用未改性的简易 CVD 系统制备 PSS 基 β-Ga2O3 薄膜并制作 MSM 型光电探测器，工艺简单、成本可控且易规模化，突破了现有 PSS 基 β-Ga2O3 器件的制备技术限制
• 首次利用缺陷诱导的内增益实现 β-Ga2O3 器件高性能探测，实现了缺陷从 “性能损耗因素” 到 “性能提升驱动力” 的转化，为 β-Ga2O3 器件的性能调控提供了全新思路。
• 通过 XRD、XPS、PL 等表征结合器件光电性能测试，全面揭示缺陷对 β-Ga2O3 光电探测器的双效调控机制，为 β-Ga2O3 器件的缺陷精准调控、性能优化提供了关键的理论和实验依据。
总 结
本研究通过化学气相沉积法，成功制备出基于图形化蓝宝石衬底 （PSS） 生长的 β-Ga2O3 深紫外光电探测器，并对其光电性能展开了详细的表征与分析。所制备的 β-Ga2O3 薄膜因结晶度较低、表面粗糙，且外延横向过生长 （ELO） 过程不完全、形貌粗糙，存在多种缺陷。这些缺陷使探测器产生显著的内增益效应和持续光电导 （PPC） 效应，虽导致器件响应速度下降，但实现了更高的电流输出。该探测器的响应度达 106.5 A/W，外量子效率为 5.18×10⁴，比探测率为 1.36×10¹³ Jones，紫外 / 可见光抑制比超过 10⁴，证明基于低成本、易操作的化学气相沉积系统，可实现高性能的深紫外探测。这种优异的器件性能，结合该工艺易于规模化制备、成本可控的优势，表明本研究提出的方法具有良好应用前景，同时凸显了基于图形化蓝宝石衬底 / 化学气相沉积法制备的 β-Ga2O3 研发高性能日盲光电探测器的潜力。但要实现高性价比的量产，未来仍需投入大量精力攻克多项关键难题，包括保证大面积薄膜的厚度均匀性、在整晶圆范围内稳定控制缺陷的形成，以及放大图形化蓝宝石衬底的生长工艺以实现高良率。后续研究将聚焦解决这些规模化制备的难点，推动该技术走向商业化应用。
项目支持
本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：62374094、62474095）、南京邮电大学自然科学基金（NY224131、NY224084）的资助。
图 1 (a) β-Ga2O3 薄膜的化学气相沉积（CVD）系统及沉积工艺示意图；(b) 蓝宝石衬底、(e) 图形化蓝宝石衬底（PSS）上沉积的 β-Ga2O3 薄膜的俯视扫描电子显微镜（SEM）图像；(d) 所制备的 β-Ga2O3 紫外光电探测器的结构示意图；(c) 蓝宝石衬底、(f) 图形化蓝宝石衬底（PSS）上沉积的 β-Ga2O3 薄膜的截面扫描电子显微镜（SEM）图像。橙色虚线区域为原始图形化蓝宝石衬底（PSS）的扫描电子显微镜（SEM）图像。
图 2 (a) β-Ga2O3 薄膜的 θ-2θ 扫描 X 射线衍射（XRD）图谱；(b) β-Ga2O3 薄膜的紫外 - 可见吸收特性表征结果；(c) β-Ga2O3 薄膜的氧 1s 光电子能谱（XPS）图；(d) β-Ga2O3 薄膜的室温光致发光（PL）光谱。
图 3 (a) 样品在暗态及 255 nm 紫外光照射下的电流 - 电压（I–V）特性曲线；(b) 样品的光谱响应特性；(c) 样品 A、(d) 样品 B 在 255 nm 紫外光激发下的电流上升与衰减过程拟合曲线。
图 4 基于样品 B 的 β-Ga2O3 金属 - 半导体 - 金属（MSM）光电探测器的能带结构示意图。
DOI：
doi: 10.1364/OL.586340.
