【会员论文】AOM丨东北师范大学宽带隙半导体外延与器件研究团队：反向替位置换生长引入非晶 GaON 成核层提升 β-Ga₂O₃/GaN 异质结紫外光电探测器性能

        由东北师范大学、新加坡科技研究局（atar）、纽约城市大学的研究团队在学术期刊 Advanced Optical Materials 发布了一篇名为 Enhanced Performance of β-Ga₂O₃/GaN Heterojunction UV Photodetector via Introducing an Amorphous GaON Nucleation Layer in the Reverse Substitution Growth（反向置换生长引入非晶 GaON 成核层提升 β-Ga₂O₃/GaN 异质结紫外光电探测器性能）的文章。

        日盲紫外光波长区间为 200–280 nm，不会抵达地面，抗电磁干扰能力强，在火情预警、导弹制导、臭氧监测等领域具备重要应用。β-Ga₂O₃ 作为超宽禁带半导体，禁带宽度匹配日盲波段、击穿场强可达 8 MV/cm，是日盲探测器核心候选材料。β-Ga₂O₃/GaN 异质结可在内建电场作用下高效分离光生载流子，相比单一氧化镓器件探测性能更优。现有高温反向置换氧化法直接在 GaN 基底生长 β-Ga₂O₃ 时，氧化速率过快易产生大量氧空位缺陷，同时薄膜表面粗糙度高、厚度不均，严重加剧载流复合，大幅降低探测器响应度与探测率。现有改性手段难以同步优化薄膜结晶质量与界面缺陷。本文提出低温预退火工艺，在 GaN 表面原位生成一层非晶 GaON 成核层，调控氧原子扩散速率，均匀化置换反应，降低氧空位浓度，制备高结晶、低缺陷 β-Ga₂O₃ 薄膜，并分别制备 MSM 横向、垂直异质两类紫外探测器，实现探测性能全面提升。

        在 β-Ga₂O₃ 反向置换生长初期引入超薄非晶 GaON 成核层，可制备具备超高探测率（约 10¹⁶ Jones）、光谱选择性增强的 β-Ga₂O₃/GaN 异质结紫外光电探测器。在氧气氛围 900 ℃ 低温氧化 GaN 表面，即可生成非晶 GaON 层；该层作为成核基底，能在高温氧化阶段引导 GaN 定向转化为表面更平整、致密的 β-Ga₂O₃。引入该非晶成核层后，所得 β-Ga₂O₃ 薄膜以 (-201) 晶面为择优取向，衍射峰半高宽更窄，表面均方根粗糙度由 7.51 nm 降至 4.62 nm；薄膜内部氧空位浓度显著降低，表面形貌大幅优化。基于改性薄膜分别制备金属-半导体-(MSM)、垂直结构 β-Ga₂O₃/GaN 异质结紫外探测器。MSM 器件在 20 V 偏压下响应度可达 174 A/W，探测率 1.56×10¹⁶ Jones，上升时间 0.35 ms、下降时间 65.7 ms；垂直异质结器件响应度 14.5 A/W，探测率达 10¹⁴ Jones，响应速度均达到毫秒量级。

        ① 提出 900 ℃ 低温预退火工艺，在 GaN 表面原位制备非晶 GaON 成核层，调控高温氧化置换反应均匀性，大幅降低 β-Ga₂O₃ 薄膜氧空位；

        ② 改性后薄膜粗糙度由 7.51 nm 降至 4.62 nm，(-201) 择优取向结晶质量显著提升，界面晶格失配应力得到有效缓解；

        ③ MSM 横向探测器 20 V 偏压下响应度 174 A/W、探测率 1.56×10¹⁶ Jones，弱光探测性能达到同类薄膜顶尖水平；

        ④ 同步制备垂直型 β-Ga₂O₃/GaN 异质结探测器，具备整流特性，实现毫秒级快速光响应，适配高压紫外探测场景；

        ⑤ 器件空气存储稳定性优异，致密低缺陷薄膜抑制界面接触劣化，为热氧化法制备高性能氧化镓器件提供通用改性方案。

        本研究在高温热氧化前引入低温预退火处理，原位生成非晶 GaON 中间层，该成核层可引导生成以 (-201) 为择优取向的 β-Ga₂O₃ 薄膜。采用两段连续高温退火的循环氧化工艺制备 β-Ga₂O₃，可降低薄膜表面粗糙度、减少内部缺陷、提升结晶度。基于该薄膜制备的 MSM 型、垂直型 n-β-Ga₂O₃/n-GaN 异质结光电探测器件性能均得到大幅优化，器件最高响应度可达 174 A/W，比探测接近 10¹⁶ Jones，响应速度达到毫秒级别。实验证明该循环氧化改性工艺可有效改善薄膜平整度、抑制缺陷，为基于热氧化法制备高质量超宽禁带氧化物半导体、高性能紫外光电探测器提供可行技术路线。

        本研究得到国家自然科学基金（62274027、62404039、52272157）、111引智基地项目（B25030）、吉林省科技专项（20220502002 GH）、松山湖材料实验室开放课题（2023SLABFK03）资助。滕静华感谢新加坡国家研究基金会NRF-CRP26-2021-0004项目资助。

图 1 样品 A 与样品 B 的制备流程示意图：(左) 900 ℃ 预退火在 GaN 表面生成非晶 GaON 层；(右) 两种样品经过高温氧化后的薄膜分层截面示意图

图 2 (a) 未处理 GaN 的 Ga 3d X 射线光电子能谱；(b) 未退火 GaN 扫描电镜表面形貌；(c) 900 ℃ 退火 20 min 后 GaN 扫描电镜表面形貌

图 3 (a) 样品 A、样品 B 的全谱 X 射线光电子能谱；(b) 未处理 GaN、样品 A、样品 B 的 X 射线衍射谱，插图为 (-201) 衍射峰放大图；样品 A、样品 B：(c,d) 截面扫描电镜图；(e,f) 表面扫描电镜图；(g,h) 扫描面积 5×5 µm² 的原子力显微镜形貌图，标注均方根粗糙度数值

图 4 (a,b) 刻蚀后样品 A、样品 B 的 Ga 3d 芯能级 X 射线光电子能谱；(c,d) 刻蚀后样品 A、样品 B 的 O 1s 芯能级 X 射线光电子能谱，标注氧空位占比

图 5 (a) 未掺杂 GaN 透射光谱，插图为塔乌曲线用于带隙计算；(b,c) 样品 A、样品 B 的 O 1s 精细谱，插图为非弹性散射损失起始点拟合图；(d) 未掺杂 GaN、样品 A、样品 B 的价带 X 射线光电子能谱；(e) 接触前 GaN、样品 A、样品 B 的能带对齐示意图

图 6 (a) MSM 型 PD₁ 器件结构示意图；PD_A1、PD_B1：(b,c) 暗态与 254 nm 紫外光照下电流-电压曲线；(d,e) 不同偏压下光谱响应度曲线；(f,g) 不同偏压下探测率曲线；(h,i) 5 V、20 V 偏压下载流输运机理示意图

图 7 (a,b) 10 V 偏压、254 nm 光照下两种 MSM 器件光电流随光强变化曲线并给出幂函数拟合；(c) 瞬态响应测试光路示意图；(d,e) 10 V 偏压下单周期瞬态光响应，标注上升、下降时间

图 8 (a) 异质结 PD₂ 器件结构示意图；PD_A2、PD_B2：(b,c) 暗态与 254 nm 光照下电流-电压曲线；(d,e) 不同反向偏压下光谱响应度；(f,g) 不同反向偏压下探测率；(h,i) -10 V 偏压下单周期瞬态响应及时间参数

DOI：

doi.org/10.1002/adom.71497