松山湖材料实验室梅增霞研究员团队---基于Ga₂O₃/GaN梯度异质结的高性能紫外光探测器

由‌松山湖材料实验室和东莞理工学院的研究团队在学术期刊 IEEE Transactions on Electron Devices 发布了一篇名为 High-Performance Ultraviolet Photodetectors Based on Ga₂O₃/GaN Gradient Heterojunction（基于 Ga₂O₃/GaN 梯度异质结的高性能紫外光探测器）的文章。

1. 项目支持

本研究部分由国家自然科学基金委员会（项目编号：62204039）资助，部分由广东省教育厅“创新强校工程”项目（项目编号：2023KSYS003）资助。

2. 背景

GaN 基紫外光电探测器因载流子分离效率低、空穴迁移率远低于电子迁移率以及缺乏内建电场，导致响应率低。现有异质结结构存在可见光响应干扰、低紫外/可见抑制比问题。Ga₂O₃（超宽禁带~4.9 eV）与 GaN 形成的异质结能带匹配，可提升载流子分离效率。但传统热氧化法生成的 Ga₂O₃/GaN 突变异质结存在界面势垒，且 Ga₂O₃ 薄膜缺陷导致暗电流高、探测率低。

3. 主要内容

氮化镓（GaN）基的紫外（UV）光电探测器（PD）由于其在紫外固化、环境监测等领域的潜在应用而备受关注。然而，GaN PD 通常由于载流子分离效率低而表现出低响应度。由于带隙和能带差异适宜，氧化镓（Ga₂O₃）/GaN 异质结构是制造高性能 UV PD 的理想材料。在这方面，研究团队展示了具有高光响应性能的 Ga₂O₃/GaN 梯度异质结构 UV PD。Ga₂O₃ 层通过磁控溅射结合热退火（TA）制备。TA 不仅提高了 Ga₂O₃ 层的晶体质量，还促使了突变型 Ga₂O₃/GaN 异质结向梯度型 Ga₂O₃/GaN 异质结的转变。所制备的 Ga₂O₃/GaN 异质结构 UV PD 在 254 nm 和 365 nm 波长下分别表现出 178.9 A/W 和 213.3 A/W 的高响应度，对应的探测率为 3.0 × 10¹⁵ 和 3.6 × 10¹⁵ Jones。这项工作为开发从 UV-A 到 UV-C 波段的高响应度 UV PD 提供了一条有前景的途径。

4. 创新点

● 通过 TA 诱导界面元素扩散，形成渐变能带结构，消除突变异质结的导带势垒峰，提升电子传输效率。

● TA 将非晶 Ga₂O₃ 转化为多晶，减少缺陷调制的载流子捕获过程，降低暗电流。

● 内建电场（垂直分离）与外偏压（横向漂移）协同作用，实现二维载流子高效分离。

5. 总结

通过将磁控溅射生长的 Ga₂O₃ 与退火处理相结合，可以实现具有高响应度和探测率的 Ga₂O₃/GaN 异质结紫外光电探测器。在 5 V 的偏置电压下，非晶 Ga₂O₃/GaN 异质结（样品A）在 254 nm（140 µW/cm²）时的响应度为 6.7 A/W，在 365 nm（50 µW/cm²）时为 18.7 A/W，探测率分别为 3.5×10¹³ Jones（254 nm）和 9.6 × 10¹³ Jones（365 nm）。通过高温退火处理，该 Ga₂O₃ 层从非晶态转变为多晶态，显著提高了晶体质量；另一方面，通过界面处氮和氧元素的热扩散，可以形成梯度 Ga₂O₃/GaN 异质结（样品B），从而有效提高了光生载流子的分离效率。基于上述原因，在 5 V 的偏置电压下，器件的响应度和探测率均比 退火前高一个数量级：其响应度分别为 178.9 A/W （365 nm）和 213.3 A/W（254 nm），探测率分别为 3.0 × 10¹⁵ Jones（365 nm）和 3.6 × 10¹⁵ Jones（254 nm）。另外，上述两类 Ga₂O₃/GaN 异质结探测器对紫外线辐射的光响应均高于纯 GaN 探测器（样品C），这进一步证实了 Ga₂O₃/GaN 异质结在提高光生载流子分离效率和光电探测性能方面的重要作用。

6. 图文示例