南京邮电大学唐为华教授、郭宇锋教授、张茂林教授团队：采用Mist-CVD法制备的高性能α-Ga₂O₃深紫外光探测器

由南京邮电大学唐为华教授、郭宇锋教授、张茂林教授的研究团队在学术期刊 IEEE Photonics Technology Letters 发布了一篇名为High Performance α-Ga₂O₃ Deep Ultraviolet Photodetector Grown by Mist-CVD（采用雾化化学气相沉积（Mist-CVD）法制备的高性能 α-Ga₂O₃ 深紫外光探测器）的文章。

一、 项目支持

本工作得到中国国家自然科学基金的资助，项目编号为62304113、62204126、62334003和U23B2042。

二、 背景

深紫外（DUV）光电探测器在火焰检测、空间通信、导弹预警及环境监测中具有关键应用，这类应用要求太阳盲响应，可通过宽禁带半导体如 AlGaN、MgZnO 和 Ga₂O₃ 实现。其中，亚稳态 α-Ga₂O₃ 凭借其超宽带隙（~5.2 eV）、优异热稳定性和高击穿场，成为有前景的候选材料。雾化化学气相沉积（mist-CVD）作为低成本、环保且无需真空的制备方法，可精确控制薄膜组成和均匀性，适合可扩展器件制备。然而，现有 α-Ga₂O₃ 光电探测器常因材料质量和界面缺陷导致响应度低或响应时间长。已有研究显示，通过 mist-CVD 可实现高响应度光晶体管，但持续光电导（PPC）效应仍导致秒级衰减时间；HVPE方法虽可获得更高响应度，但同样受限于材料陷阱态。近期研究表明，基于 mist-CVD 生长的 α-Ga₂O₃ 金属–半导体–金属（MSM）光电探测器可实现超过 1 kA/W 的响应度和毫秒级响应时间，同时具备稳定循环性能，表明 mist-CVD 制备的 α-Ga₂O₃ 薄膜在高性能 DUV 光电探测器中具有显著潜力。

三、 主要内容

本文报道了采用雾化化学气相沉积（mist-CVD）方法制备并表征的基于 α-Ga₂O₃ 薄膜的金属–半导体–金属（MSM）深紫外（DUV）光探测器。所制备的 α-Ga₂O₃ 薄膜具有优异的结晶质量和表面均匀性，从而实现了高性能 DUV 光探测器。器件在 210 nm 波长下的峰值响应度超过 1000 A/W，5 V 偏压下的暗电流低至 0.12 pA，紫外-可见光抑制比高达约 10⁵。此外，器件展现出毫秒级衰减时间的快速响应特性。研究结果表明，mist-CVD 生长的 α-Ga₂O₃ 材料在可规模化、低成本制备下一代深紫外光电器件方面具有重要应用潜力。

四、 结论

本研究展示了一种基于雾化化学气相沉积（mist-CVD）生长的 α-Ga₂O₃ 薄膜的高性能深紫外（DUV）光探测器。外延 α-Ga₂O₃ 薄膜具有优异的晶体质量、宽光学带隙（5.28 eV）以及光滑的表面形貌。所制备的 MSM 结构光探测器在 210 nm 波长下的峰值响应度超过 1000 A/W，暗电流低至约 0.12 pA，紫外-可见光抑制比高达约 10⁵，衰减时间低于100 ms。同时，器件表现出优异的循环稳定性，在多次开关操作中性能保持一致。结果表明，mist-CVD 是一种可行的、可规模化且低成本的制备高性能深紫外光探测器的途径。

图1。（a）α-Ga₂O₃的XRD衍射图。（b）(0006)晶面的XRD摇摆曲线。（c）α-Ga₂O₃的紫外–可见吸收光谱。（d）α-Ga₂O₃的O 1s峰XPS光电子能谱。（e）α-Ga₂O₃/α-Al₂O₃界面的截面SEM图像。（f）表面AFM图像。

图2。（a）在5 V偏压和4 mW/cm² 光强下α-Ga₂O₃光探测器的光响应光谱。（b）器件的线性坐标I–V曲线；（c）对数坐标I–V曲线。（d）不同电压下光电流与光强之间的函数关系。（e）不同偏压下器件的响应度R；（f）不同偏压下器件的外量子效率（EQE）随光强变化的关系。

图3。（a）器件在不同光强下的光电流–时间（I–t）曲线。（b）单个开关循环的拟合曲线。（c）深紫外光探测器在300次工作循环中的开关特性。（d）深紫外光探测器的能带示意图。（e）暗电流激活能的提取结果。

图4。 所制备的 α-Ga₂O₃ 光探测器的响应时间与响应度对比基准图。

DOI：

doi.org/10.1109/LPT.2025.3627605

本文转发自《亚洲氧化镓联盟》订阅号