南京郵電大學唐為華教授、郭宇鋒教授&內蒙古工業大學：鈍化工程提升 β-Ga?O? 深紫外光電探測器的光電檢測性能

由南京郵電大學唐為華教授和郭宇鋒教授聯合內蒙古工業大學的研究團隊在學術期刊 Physica Scripta 發布了一篇名為 Passivation engineering enhanced photodetection in β-Ga₂O₃ deep ultraviolet photodetectors（鈍化工程提升 β-Ga₂O₃ 深紫外光電探測器的光電檢測性能）的文章。

這項工作部分受國家重點研發計劃（項目編號：2022YFB3605404）資助，部分受國家自然科學基金（項目編號：62304113）資助。

深紫外（DUV）光探測器在空間通信、火焰探測、臭氧層保護和導彈追蹤等領域具有重要應用價值。盡管包括 AlGaN、MgZnO 和金剛石等多種材料已被用于 DUV 光探測器的制備，但具有寬禁帶（>4.8 eV）的 β-Ga₂O₃ 由于其對太陽盲區紫外光的靈敏響應而備受關注。隨著 MOCVD、HVPE、MBE、mist-CVD 等外延技術的發展，高質量 Ga₂O₃ 薄膜已能夠制備，但其實際器件性能仍受制于氧空位缺陷和非理想電導等問題。迄今為止，β-Ga₂O₃ 光探測器大多采用 MSM 結構，性能提升主要依賴于薄膜生長優化和金屬電極選擇，但其響應度在弱信號條件下往往不足。為改善性能，研究者們嘗試了氟摻雜、UV-臭氧處理、有機硅鈍化等方法，但均存在局限。近年來，通過引入絕緣層構建 MISIM 結構并采用 Al₂O₃ 鈍化已顯示出顯著提升光探測性能的潛力，因此成為 β-Ga₂O₃ 光探測器的重要研究方向。

由于超寬禁帶（>4.8 eV），β-Ga₂O₃ 在深紫外（DUV）光探測應用中受到廣泛關注。然而，表面和界面態限制了 β-Ga₂O₃ 光探測器實現高響應度的能力。本研究通過引入 Al₂O₃ 鈍化層來減緩 β-Ga₂O₃ 光探測器中的復合過程。優化后的器件，即金屬-絕緣體-半導體-絕緣體-金屬光探測器（MISIM PD），表現出卓越的 DUV 光探測性能。本文將 MISIM PD 的響應度、探測率、光暗電流比以及靜態和動態特性與傳統金屬-半導體-金屬（MSM）結構進行了比較。結果表明，MISIM PD 的響應度提高了最高 264.18%，探測率提高了 482.86%，光暗電流比提高了 853.14%。測得的光電流線性、光吸收和響應時間表明，由于 Al₂O₃ 的鈍化作用，復合中心得到了顯著減少。此外，利用 MISIM PD 進行的 DUV 成像進一步凸顯了 Ga₂O₃ 基光探測器的優勢。

本研究成功制備了具有 MISIM 結構的 β-Ga₂O₃ 光探測器。研究結果表明，引入 Al₂O₃ 鈍化層后，器件的光探測性能顯著提升。在 10 V 偏壓和 254 nm 波長照射下，MISIM 光探測器的響應度達到 306.39 mA/W，探測率為 4.18×10¹³ Jones，光暗電流比為 6.51×10⁵。與未鈍化器件相比，其響應度、探測率和光暗電流比分別最高提高了 264.18%、482.86% 和 853.14%。光電流線性、光吸收以及開關特性測量結果進一步確認，這些性能的顯著提升歸因于鈍化工程。此外，研究者還考察了 MISIM 光探測器在深紫外成像中的潛力，進一步凸顯了其在弱信號檢測方面的應用前景。

圖 1. (a) β-Ga₂O₃/Al₂O₃ 深紫外光探測器的示意圖。 (b) β-Ga₂O₃ 薄膜的拉曼光譜。 (c) β-Ga₂O₃/Al₂O₃ 薄膜在藍寶石襯底上的 X 射線衍射（XRD）譜。X 射線光電子能譜（XPS）為 (d) β-Ga₂O₃ 薄膜和 (e) 沉積的 Al₂O₃ 薄膜。

圖 2. (a) MISIM 和 MSM 光探測器的響應度隨波長的變化。 (b) 探測率隨波長的變化。 (c) MSM 光探測器的電流-電壓（I-V）特性曲線。 (d) MISIM 光探測器的 I-V 特性曲線。

圖 3. (a) 兩種光探測器的響應度隨光強的變化。 (b) 探測率隨光強的變化。 (c) 兩種光探測器的響應度隨偏壓變化。 (d) 兩種光探測器的探測率隨偏壓變化。

圖 4. (a) 兩種光探測器的擬合光電流隨光強變化。 (b) 兩種器件的吸收光譜。 (c) MSM 光探測器的電流-時間（I-t）曲線。 (d) MISIM 光探測器的 I-t 曲線。單周期開關特性： (e) MSM 光探測器，(f) MISIM 光探測器，在 10 V 偏壓和 100 μW/cm² 光強下。

圖 5. 能帶圖及示意圖： (a) MSM 光探測器，(b) MISIM 光探測器。 (c) 深紫外成像系統的光路示意圖。 (d) 在 255 nm 波長下，使用 “NJUPT” 掩模獲得的成像結果。

DOI：

doi.org/10.1088/1402-4896/ae04ac

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