大连理工大学：基于β-Ga₂O₃/Si异质结的超高效率日盲紫外检测

由大连理工大学梁红伟教授、常玉春教授的研究团队在学术期刊 Applied Physics Letters 发布了一篇名为 Ultrahigh-efficiency solar-blind ultraviolet detection with a β-Ga2O3/Si heterojunction（基于 β-Ga2O3/Si 异质结的超高效率日盲紫外检测）的文章。

背 景

日盲紫外（Solar-Blind Ultraviolet，SBUV）波段通常指 200-280 nm。由于大气层臭氧对该波段太阳光的强吸收，导致地球表面该波段的背景辐射几乎为零。这种特性赋予了 SBUV 探测器极高的信噪比和全天候工作能力，使其在军事、航天、环境监测等领域具有不可替代的战略价值。硅（Si）是目前最成熟的半导体材料，拥有完善的产业链。但其带隙较窄，远小于 SBUV 光子的能量。Si 对 SBUV 的吸收深度极浅，导致光生载流子容易在表面复合，无法被有效收集。此外，Si 不仅响应 SBUV，对可见光和红外光也极其敏感，这在 SBUV 探测中意味着巨大的背景噪声干扰，必须配合昂贵的滤光片使用。受限于 Si 的物理特性，相关研究转而求助于超宽禁带材料。β-氧化镓(β-Ga2O3) 拥有理想的带隙（~4.9 eV），天然对应 SBUV 波段，且具有极高的化学/热稳定性。然而，其低电子迁移率的不足极大地限制了相关探测器的光电转换效率。为了结合 Si 的成熟工艺与 β-Ga2O3 的高 SBUV 选择性，构建 β-Ga2O3/Si 异质结成为研究热点。目前该方向主要关注光伏型探测器，虽然该结构具有自供电的优势，但缺乏内部增益，响应度受限。光电导型探测器具有高增益潜力，且具备易制备、易集成的优势。然而，由于 β-Ga2O3 与 Si 之间存在显著晶格失配，在 Si 上生长的 β-Ga2O3 薄膜多为多晶，内部存在大量晶界，严重加剧 β-Ga2O3 低电子迁移率的不足。如果能利用高电子迁移率光电探测器（HEMPD）结构将 Si 和 β-Ga2O3 相结合，就有可能兼顾两种材料的优点，实现高效率探测。

主要内容

为克服 Si 基 SBUV 光探测器固有的低响应度（R）和弱光谱选择性限制，同时解决异质外延 β-Ga2O3 材料电子迁移率低及多晶结构带来的挑战，本研究开发了一种基于 β-Ga2O3/Si 异质结的 HEMPD。该探测器中，β-Ga2O3 作为 SBUV 吸收层发挥其高响应度与光谱选择性优势，而 Si 则作为光生电子传输层，凭借其卓越的晶体质量和高电子迁移率形成互补体系。该探测器实现了 6.67×105 A/W 的响应度（R）和 3.25×108 % 的外量子效率(EQE)，同时具备出色的光谱选择性。本研究为Si和 β-Ga2O3 在 SBUV 应用领域提供了宝贵指导。

创新点

•创新性地将光生载流子的产生区与输运区在空间上分离。这种设计巧妙地规避了多晶 β-Ga2O3 电子迁移率低的短板，充分利用了 Si 的高电子迁移率优势。

•实现了极高的增益和响应度，其性能指标不仅远超商用 Si 探测器，甚至优于许多报道的 β-Ga2O3 雪崩光电二极管（APD），且无需高电压驱动。

•揭示了该异质结虽然包含窄带隙的 Si，但通过能带工程，有效阻断了 Si 中非 SBUV 光生载流子的传输，从而实现了对 SBUV 选择性响应。

结 论

为解决现有 Si 基光电探测器对 SBUV 信号响应不足的问题，本研究将多晶 β-Ga2O3 薄膜沉积于商用 n 型Si衬底上，制备出高电子迁移率光电探测器（HEMPD）。该结构有效结合了 Si 的高晶体质量与优异电子迁移率，以及 β-Ga2O3 对 SBUV 信号的卓越响应特性，在 254 nm 照射下实现高达 6.67×105 A/W 的响应度（R）和 3.25×108 % 的电子量子效率（EQE）。这些性能指标不仅显著优于商用 Si 基 SBUV 光电探测器，甚至超越了某些已报道的 β-Ga2O3 基 APD。本研究为Si材料与多晶 β-Ga2O3 在日盲紫外检测领域的应用提供了宝贵的见解和实践指导。

项目支持

本研究获得辽宁省自然科学基金联合基金（博士研究启动项目）资助（2023-BSBA-028）；中央高校基本科研业务费专项资金资助（DUT24BS008）；广东省基础与应用基础研究基金资助（2023A1515110064）； 中国国家重点研发计划（023YFB4503003）；中国国家自然科学基金（62304030，62104024）。

图1.β-Ga2O3 薄膜的表征结果：(a) X 射线衍射图谱；(b) 扫描电子显微镜顶视图（插图：截面图像）；(c) 反射率光谱；(d) 通过 Kubelka–Munk 法测定的带隙。F(Ref)=(1-Ref)2/2Ref，Ref 代表反射率。

图2. (a) 制备的HEMPD示意图；(b) 不同强度 254 nm 光照下HEMPD的性能：I-V 曲线；(c) 16.2 V 偏压下的光暗电流比(PDCR)；(d) 16.2 V 偏压下的 I254 和光响应度 (R)。

图3. 在波长 254 nm、光强照射 20 μW/cm2 条件下获得的 (a) R 和 (b) EQE。

图4. (a) β-Ga2O3/Si 异质结在热平衡状态下的能带图（SiOx 过渡层中的短虚线表示缺陷提供的额外导电路径）；(b) 所得HEMPD的光生电子传输机制；(c) 光生电子被扫向 Si 衬底的示意图；(d) 电子向 β-Ga2O3 层回扩散的示意图。

图5. (a) HEMPD 的归一化响应谱；(b) 在 254 nm 光照和 15 V 偏压条件下测得的 HEMPD的 归一化响应时间曲线。

DOI：

doi.org/10.1063/5.0306137

文章由大连理工大学梁红伟教授供稿。

来源：亚洲氧化镓联盟

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