【会员论文】AMT丨东北师范大学&上海电机学院&山东大学：基于高浓度Sn掺杂与肖特基结协同调控β-Ga₂O₃同质结的增强型自供电日盲DUV光探测器

        日盲深紫外探测在导弹预警、安全通信与紫外天文探测等领域具有关键应用价值，β-Ga₂O₃ 凭借本征超宽禁带与天然日盲响应特性，成为新一代高性能探测器的核心材料；传统异质外延存在晶格失配、缺陷密度高等问题，同质外延可显著提升晶体质量，但常用晶向易出现岛状生长与堆垛层错，(011) 晶向研究匮乏。现有器件性能优化策略难以同时实现暗电流抑制、光生载流子高效分离与超快响应，缺乏基于同质结与肖特基结协同内置电场的高效设计方案，无法满足自供电日盲探测的高性能需求。

        该团队采用金属有机化学气相沉积技术，在本征与 Sn 掺杂 β-Ga₂O₃ (011) 单晶衬底上成功制备无小丘、无沟槽的高质量 β-Ga₂O₃ 同质外延薄膜。高分辨 X 射线衍射结果表明，非掺杂与 Sn 掺杂衬底上外延膜的摇摆曲线半高宽分别为 62.7 和 139 角秒。原子力显微镜结果显示，薄膜表面 均方根粗糙度 仅为 0.86 nm 和 1.32 nm，表面形貌平整致密。该团队在垂直结构 Au/Ga₂O₃/Ti 肖特基 - 欧姆型金属 - 半导体 - 金属紫外光探测器中实现了强自供电光电响应特性。与本征 β-Ga₂O₃ 衬底器件相比，Sn 掺杂衬底器件在 0 V 偏压下光电性能显著提升，响应度 14.8 mA/W，探测率 6.3×10¹³ Jones ，上升与衰减时间分别为 0.32 ms 和 3.1 ms。器件优异性能主要源于 Au/Ga₂O₃ 肖特基结与 Ga₂O₃/Sn-Ga₂O₃ n/i 同质结 的双内置电场，可加速光生载流子分离与输运、抑制暗电流、降低载流子复合概率，提升整体性能。结果表明，同质结与肖特基结协同调控的器件结构为实现高性能自供电 β-Ga₂O₃ 基日盲紫外探测器提供了有效设计思路。

        •首次在 β-Ga₂O₃ (011) 衬底上通过 MOCVD  实现无缺陷高质量同质外延生长。

        •构建 Sn 重掺杂与肖特基结协同的 双内置电场 结构，实现自供电高效日盲探测。

        •自供电器件实现 14.8 mA/W 响应度与 6.3×10¹³ Jones 超高探测率。

        •毫秒级超快响应速度，综合性能优于已报道同类自供电日盲探测器。

        该团队采用 MOCVD 技术在 β-Ga₂O₃ (011) 单晶衬底上成功实现高质量 β-Ga₂O₃ 薄膜同质外延生长。制备的外延层晶体质量优异、表面形貌平整，具有明确的面外取向与良好的结构连续性，为提升器件性能奠定了坚实材料基础。该团队基于同质外延 β-Ga₂O₃ 薄膜，制备了 Au/Ga₂O₃/Ti 垂直结构 MSM 单面肖特基紫外光探测器。器件在 0 V 偏压下实现稳定光响应，展现出良好的自供电探测能力。其中 Sn:Ga₂O₃ 衬底器件在 0 V 偏压下实现 14.8 mA/W 响应度、6.3×10¹³ Jones 探测率与毫秒级超快响应速度，综合性能显著优于本征衬底器件。器件性能的大幅提升主要归因于 Au/Ga₂O₃ 肖特基结与 Ga₂O₃/Sn:Ga₂O₃ 同质结协同作用形成的双内置电场，可加速光生载流子分离与输运、降低载流子复合损耗，并有效抑制暗电流。

        本研究得到了国家自然科学基金（NO. 62274027、62404039）、松山湖材料实验室开放基金（2023SLABFK03）、111 引智基地（B25030）、吉林省科技发展计划项目（NO. 20220502002GH）、吉林省教育厅科学研究项目（JJKH20250304BS）的资助。

图 1. (a) μ‑Ga₂O₃ 衬底、Sn 掺杂 μ‑Ga₂O₃ 衬底及对应外延膜的 X 射线衍射图谱。(b) 两种外延膜的 XRD 摇摆曲线。(c) 两种外延膜的透射光谱（插图为外延膜实物图）。(d) 两种外延膜的禁带宽度。

图 2. (a) 两种外延膜的 XPS 全谱。(b)、(c) 两种外延膜的 O 1s 谱。(d) μ‑Ga₂O₃ 衬底与 Sn‑Ga₂O₃ 衬底的价带顶谱。

图 3. (a)、(b) 两种外延膜的 SEM 表面形貌图。(c)、(d) 两种外延膜的截面 SEM 图。

图 4. (a)、(b) 两种单晶衬底的 AFM 表面形貌图。(c)、(d) 两种外延膜的 AFM 表面形貌图。

图 5. (a)、(b) Ga₂O₃/μ‑Ga₂O₃ 探测器与 Ga₂O₃/Sn‑Ga₂O₃ 探测器在暗态与 254 nm 光照下的 I‑V 曲线（插图为器件结构示意图）。(c) 0 V 偏压下两种探测器的响应光谱（插图为对数坐标）。(d) 0 V 偏压下两种探测器的探测率光谱（插图为放大图）。

DOI：

doi.org/10.1016/j.apmt.2026.103283