【会员论文】ASS丨中国科学院宁波材料技术与工程研究所：基于 n-ε-Ga₂O₃/p-金刚石异质结的深紫外光电探测器

        由中国科学院宁波材料技术与工程研究所海洋关键材料全国重点实验室、桂林电子科技大学、中国科学院宁波材料技术与工程研究所前湾园区、中国科学院大学、中国科学技术大学、韩国大邱国立大学、中国科学院上海光学精密机械研究所和杭州光学精密机械研究所的研究团队在学术期刊 Applied Surface Science 发布了一篇名为 A deep ultraviolet photodetector based on n-ε-Ga₂O₃/p-diamond heterojunction（基于 n-ε-Ga₂O₃/p-金刚石异质结的深紫外光电探测器）的文章。

        深紫外（DUV）探测器通常用于光通信、环境监测、空间探测以及军事预警等领域。特别是在日盲紫外波段，材料本身的宽禁带特性可以有效抑制可见光和太阳背景信号，因此开发具有高选择性、低暗电流的深紫外探测器具有重要意义。

        金刚石（Diamond）是一种非常有潜力的深紫外探测材料。其禁带宽度高达 5.47 eV，具有天然的深紫外响应能力，同时拥有极高的热导率（约 2200 W/m·K）和优异的电学性能。相比传统 Si 基紫外探测器，金刚石的超宽禁带能够显著降低日盲紫外探测过程中的背景噪声，因此特别适合高温、高功率及恶劣环境下的光电探测。

        然而，金刚石器件的发展面临一个重要限制，即 n 型掺杂困难。目前 p 型金刚石可以通过硼掺杂实现，但高质量 n 型金刚石的制备仍然较为困难，这使得传统同质 p-n 结器件难以构建，也限制了金刚石在双极型光电器件中的进一步应用。

        Ga₂O₃ 属于超宽禁带半导体，禁带宽度约 4.8 eV，理论击穿场强可达到 8 MV/cm，同时具有良好的 n 型掺杂能力。但 Ga₂O₃ 同样存在掺杂极性不对称的问题，即容易实现 n 型导电，但有效 p 型掺杂十分困难。

        将 n 型 Ga₂O₃ 与 p 型金刚石结合，可以绕开单一材料难以实现双极型掺杂的问题，构建异质 p-n 结。同时，金刚石的高热导率还能为 Ga₂O₃ 器件提供优异的散热基础，因此 Ga₂O₃/diamond 异质集成被认为是实现高性能光电器件的重要技术路线。

        在 Ga₂O₃ 不同晶相中，ε-Ga₂O₃ 具有约 4.7–4.9 eV 的超宽禁带，并适用于深紫外波段探测。相比 β-Ga₂O₃，ε-Ga₂O₃ 在金刚石上的异质生长具有一定的晶格匹配优势，因此成为构建 Ga₂O₃/diamond 异质结的新选择。

        基于上述问题，该团队提出直接在 p 型金刚石衬底上外延生长 n 型 Sn 掺杂 ε-Ga₂O₃ 薄膜，构建 n-ε-Ga₂O₃/p-diamond 异质 p-n 结。其目标不仅是利用两种材料的 p/n 型掺杂互补性构建双极型异质结，同时希望通过直接外延形成原子尺度接触界面，避免传统键合工艺带来的界面热阻和机械稳定性问题，并实现低暗电流、自供电的深紫外光探测。

        基于金刚石的深紫外光探测器在通信、传感和成像领域具有巨大的应用潜力。然而，n 型掺杂的难题限制了金刚石 pn 结构光探测器的制备。在本研究中，通过脉冲激光沉积（PLD）技术，在 p 型金刚石衬底上沉积 n 型 ɛ-Ga₂O₃，制备了基于 n-ɛ-Ga₂O₃/p-金刚石异质结的光探测器。X 射线光电子能谱（XPS）分析表明，ɛ-Ga₂O₃/diamond 异质结具有 II 型能带结构，其价带和导带偏移量分别为约 2.23 eV 和 3.10 eV。所制备的探测器具有 1.16×10⁻¹² A 的超低暗电流和 10⁶ 的高光暗电流比（PDCR）。该探测器在深紫外范围内还表现出优异的光谱选择性。此外，由于异质 p-n 结中存在内建电场，该探测器在深紫外光照射下可实现自供电工作。本研究证明了将 ɛ-Ga₂O₃ 与金刚石集成在一起的可行性，并为未来基于 ɛ-Ga₂O₃/diamond 异质结的深紫外光探测器的设计提供了指导。

        ①ε-Ga₂O₃/p-diamond 异质结：在 p 型金刚石衬底上沉积了 n 型 ε-Ga₂O₃ 薄膜，并基于该异质 pn 结制备了深紫外光探测器。

        ②II 型能带对齐：通过精确的界面工程实现了交错的能带偏移，价带偏移（VBO）和导带偏移（CBO）分别为 2.23 eV 和 3.10 eV。

        ③超低暗电流：该器件展现出卓越的噪声抑制能力，暗电流低至 1.16×10⁻¹² A，光暗电流比高达 10⁶。

        ④自供电能力：该光探测器可自主运行，短路电流（I_SC）为 5.04×10⁻¹² A，开路电压（V_OC）为 0.19 V。

        在本研究中，通过在 p 型金刚石衬底上沉积 n 型 ε-Ga₂O₃，制备了一种基于 ε-Ga₂O₃/diamond 异质结的深紫外光探测器。测定结果表明，n-ε-Ga₂O₃/p-diamond 异质结的能带结构为错位型（II 型），其 VBO 和 CBO 值分别为 2.23 eV 和 3.10 eV。所制备的探测器具有 1.16×10⁻¹² A（在 −3 V 时）的超低暗电流和 10⁶ 的超高光暗电流比，其响应度和比检测灵敏度分别为 7.79×10⁻³ A/W 和 1.61×10¹² Jones。同时，该探测器还表现出自供电能力，其开路电压 (V_OC) 为 0.19 V，短路电流 (I_SC) 为 5.04×10⁻¹² A，最大输出功率密度为 0.69 W/cm²。ε-Ga₂O₃ 薄膜中存在结构和界面缺陷（晶界、双晶、位错、氧空位、Ga⁺ 缺陷）。这些缺陷会增加复合，并通过费米能级钉扎削弱内建电场。因此，击穿电压（4.75–7.25 V）和开路电压（V_OC ≈0.19 V）较低。尽管如此，本研究仍证明了外延 ε-Ga₂O₃/diamond 异质结的可行性，并为通过缺陷工程和界面优化实现性能提升提供了指导。

        本研究由国家自然科学基金（52302202）资助，部分资金来自宁波市甬江人才工程（2021A-037-C、2021A-108-G）以及宁波市科技局项目资助（No. 2022-DST-001）。

图1. (a) ε-Ga₂O₃ 在金刚石衬底上 PLD 生长及器件制备过程示意图；(b) ε-Ga₂O₃ 和金刚石的 XRD 图谱；(c1-c2) 生长在金刚石上的金刚石以及 (c3-c4) 生长在金刚石上的 ε-Ga₂O₃ 的 2D 和 3D AFM 图像及粗糙度曲线，扫描面积为 20×20 µm²； (d) ε-Ga₂O₃ 的紫外/可见/近红外光谱 (e) 椭圆偏振角 Ψ 和 Δ 随波长变化的曲线图，插图显示了该异质结构的 SE 测量模型 (f) ε-Ga₂O₃ 和金刚石的掺杂浓度。

图2. (a) ε-Ga₂O₃/diamond 的纵向横截面透射电子显微镜（TEM）图像，（b-c）HAADF 图像及相应的能谱（EDS）能量分布图，（d）绿色方框位置的单相电子衍射（SAED）图像（偏移柱状 ε-Ga₂O₃），（e）高分辨率透射电子显微镜（TEM）图像，（f）红色方框位置的单相电子衍射（SAED）图像（金刚石）。

图3. 不同刻蚀深度下 ε-Ga₂O₃/diamond 异质结的高分辨率 XPS 光谱。各子图分别显示了以下区域的总扫谱、O 1s、C 1s 和 Ga 3d 核心能级光谱：(a) ε-Ga₂O₃ 表面层 (b) ε-Ga₂O₃ 体层 (c) ε-Ga₂O₃/diamond 界面区域，以及 (d) 金刚石衬底。

图4. (a) 生长在金刚石衬底上的 Ga₂O₃ 的 Ga 3d 光谱，拟合结果为双峰光谱，插图显示了价带光谱；(b) 用于拟合 Ga₂O₃ 带隙的 O 1s 能量损失光谱；(c) 金刚石的 C 1s 光谱，拟合结果为三峰光谱（插图显示了价带光谱）； (d) Ga₂O₃/diamond 异质结界面处的 C 1s 和 Ga 3d 光谱，分别拟合为双峰和三峰，(e) 根据 XPS 结果推导出的 Ga₂O₃/diamond 异质结能带结构。

图5. (a) ε-Ga₂O₃/diamond 光探测器的示意图，(b) ε-Ga₂O₃/diamond 异质结器件的 I-V 特性曲线，(c) 该器件的击穿电压。图 (b) 中的插图显示了半对数 I-V 曲线，图 (c) 中的插图是该光探测器的照片。图 (d) 显示了该光探测器在不同波长下的 I-V 曲线，插图显示了响应度。图 (e) 显示了不同光强下的 I-V 曲线，图 (f) 显示了 0 V 偏压下的瞬态响应，插图为瞬态响应时间的放大图。

DOI：

doi.org/10.1016/j.apsusc.2026.168170