【会员论文】吉林大学、中科院半导体所、新疆大学：基于NiO/Ga₂O₃/InGaO准PIN异质结的高性能日盲紫外MSM光电探测器

        由吉林大学、中国科学院半导体研究所、新疆大学组成的研究团队在学术期刊 Vacuum 发布了一篇名为MSM solar-blind photodetector based on NiO/Ga₂O₃/InGaO quasi-pin heterojunction for high-performance UV detection （基于 NiO/Ga₂O₃/InGaO 准 PIN 异质结的高性能日盲紫外 MSM 光电探测器）的文章。

        工作波段 200~280 nm 的日盲紫外光电探测器是导弹预警、火焰探测、保密光通信等领域的核心器件。带隙约 4.9 eV 的氧化镓（β-Ga₂O₃）是制备日盲探测器的优选材料，但单层 Ga₂O₃ 基器件普遍存在持续光电导（PPC）缺陷，响应速率差、各项光电性能难以兼顾。异质结对器件改性是主流优化方案，但现有双层异质结无法同时实现高响应度、高探测率与快速响应。铟掺杂氧化镓（InGaO）可提升载流子浓度，但高氧空位密度会加剧 PPC 效应；P型氧化镍（NiO）空穴输运与化学稳定性优异，但难以和金属形成优质欧姆接触。传统 MSM 器件受制于金属-半导体高势垒，暗电流偏大。针对上述痛点，本文采用低成本溶胶-凝胶工艺，构筑 NiO/Ga₂O₃/InGaO 三层准PIN异质结结构，通过调控界面能带排布构建强内建电场，抑制 PPC 问题，实现探测器综合光电性能大幅提升。

        本文基于新型 NiO/Ga₂O₃/InGaO 准 PIN 异质结（NGIH），研制出高性能日盲型金属-半导体-金属（MSM）紫外光电探测器。异质结薄膜采用溶胶-凝胶法制备，叉指金电极通过射频磁控溅射工艺沉积。该复合结构融合三层功能薄膜各自优势：顶层重掺杂 n⁺ 型 InGaO 依靠量子隧穿与金叉指电极形成近理想欧姆接触，材料本征氧空位通过俘获空穴、延长自由电子寿命充当光电增益中心；中间层 Ga₂O₃ 载流子浓度低、电子迁移率高，作为准本征区加速光生载流子漂移输运，并与底层 P 型 NiO 共同构成准 PIN 异质结构。该结构可形成高强度内建电场，在实现超高响应度与外量子效率的同时，有效抑制氧化物半导体普遍存在的持续光电导（PPC）现象。5 V 外加偏压、260 nm 日盲紫外光照条件下，NGIH 探测器暗电流低至 0.38 nA，峰值响应度达 1.93×10⁴ A/W，外量子效率高达 8.71×10⁶ %。优异的器件性能证明该准 PIN 异质结探测器在日盲紫外探测领域具备广阔应用前景。

        ·首次提出 NiO/Ga₂O₃/InGaO 三层准 PIN 异质结 MSM 日盲紫外探测器，采用低成本溶胶-凝胶+射频溅射工艺制备薄膜与电极。

        ·顶层重掺杂 InGaO 借助量子隧穿实现与金电极无势垒欧姆接触，本征氧空位俘获空穴，有效提升器件光电增益。

        ·中间高迁移率 Ga₂O₃ 充当准本征层加速载流子漂移，异质结形成的强内建电场同步抑制 PPC 效应与器件暗电流。

        ·器件响应度、探测率、外量子效率等关键指标优于绝大多数已报道的氧化镓/氧化镍基异质结光电探测器。

        本研究通过优化溶胶-凝胶工艺搭配射频磁控溅射，成功制备基于新型 NiO/Ga₂O₃/InGaO 准 PIN 异质结（NGIH）的高性能日盲 MSM 紫外探测器。NGIH 结构创新在于三层功能薄膜的优势互补：顶层重掺杂 n⁺-InGaO 通过量子隧穿与金电极形成近理想欧姆接触，消除载流子注入势垒，同时利用氧空位延长载流子寿命、提升光电增益；中间层 Ga₂O₃ 载流子浓度低、迁移率优异，作为准本征区实现载流子快速漂移输运；底层 P 型 NiO 在全耗尽异质界面构筑强内建电场，高效分离光生载流子并大幅压低暗电流。最终器件兼顾高光电增益与优良响应速率，5 V 偏压、260 nm 波长下峰值响应度 1.93×10⁴ A/W、外量子效率 8.71×10⁶ %、探测率 9.18×10¹⁵ Jones。器件性能全面优于单层及双层对比器件，证实准 PIN 异质结构设计的优越性，该 NGIH 体系可作为高性能日盲紫外探测的优选技术方案。

        本研究获得国家自然科学基金（项目编号：12374397）、吉林省科技发展计划项目（项目编号：YDZJ202501ZYTS294）、吉林省发改委科研项目（2018C040-2）资助。

图 1 (a) 异质结紫外光电探测器制备工艺示意图；(b) NiO、(c) Ga₂O₃、(d) InGaO 薄膜表面 SEM 图；(e) NGIH 薄膜截面 SEM 图；(f) NiO、(g) Ga₂O₃ 与 InGaO 的 XRD 图谱；(h) NiO、(i) Ga₂O₃、(j) InGaO 薄膜 AFM 形貌图

图 2 (a) NiO、Ga₂O₃、InGaO、NGH、NIH、NGIH 薄膜的紫外 - 可见吸收光谱；(b) NiO、Ga₂O₃、InGaO 薄膜的 Tauc 曲线图

图 3 (a) NiO 与 Ga₂O₃ UPS 测试高结合能谱图、(b) 低结合能谱图

图 4 经过校准的 (a) NiO、(b) Ga₂O₃、(c) InGaO 薄膜 C1s 精细谱

图 5 (a) NiO、Ga₂O₃、InGaO 薄膜 XPS 全谱；InGaO 的 (b) In3d、(c) Ga2p、(d) O1s 高分辨 XPS 谱；Ga₂O₃的 (e) Ga2p、(f) O1s 高分辨 XPS 谱；NiO 的 (g) Ni2p、(h) O1s 高分辨 XPS 谱

图 6 (a) NGIH 紫外探测器光电性能测试示意图；(b) InGaO 基探测器线性坐标 I-V 特性曲线；(c)(d) NiO、Ga₂O₃、InGaO、NGH、NIH、NGIH 器件暗态与光照下电流 - 电压曲线

图 7 NGIH 紫外光电探测器 (a) 暗态、(b) 紫外光照条件下的能带结构图

图 8 (a) NiO、(b) Ga₂O₃、(c) InGaO、(d) NGH、(e) NIH、(f) NGIH 六种探测器的响应度、探测率与外量子效率光谱曲线

图 9 (a) 各器件光电流上升与衰减时间拟合曲线；(b) 六类探测器四轮循环测试的光电响应恢复曲线

DOI：

doi.org/10.1016/j.vacuum.2026.115510