【会员论文】西安电子科技大学郝跃院士、张进成教授研究团队---通过NiO层实现电场调控的 β-Ga₂O₃ 光电探测器

        本研究得到了国家重点研发计划（No. 2022YFB3605402）、国家自然科学基金（under Grants. 62274132、62004151、62274126）、国家留学基金（Project ID: 202406960106）、陕西省自然科学基础研究计划（under Grants. 2024JC-YBMS474、2024JC-YBQN-0647）、芜湖市科技项目（应用基础研究项目）（under Grant. 2022jc01）的资助。

        β-Ga₂O₃ 因其宽带隙（约 4.9 eV）、高化学稳定性和热稳定性等优异特性，在日盲紫外光电探测器领域具有巨大的应用潜力。实现高性能的 β-Ga₂O₃ 光电探测器需要具备高响应度、高探测率、快速响应速度和低暗电流等特性。在异质外延的器件中，界面处的缺陷通常作为复合中心，会俘获光生载流子，从而降低器件性能。抑制界面复合是提升探测器性能的关键。传统的性能提升方法包括表面钝化或优化生长工艺等。P-N 结可以通过内建电场分离光生载流子，在目前 Ga₂O₃ 难以实现有效的 p 型掺杂的背景下，通常采用异质 p 型材料与 n 型 Ga₂O₃ 构建异质结。NiO 是一种性能稳定的宽禁带 p 型半导体。然而，在 p-NiO/n-Ga₂O₃ 异质结中，界面的材料质量仍可能成为限制器件性能的瓶颈。

        具有日盲吸收特性的氧化镓（Ga₂O₃）薄膜在紫外光检测器中具有相当大的应用潜力。在 Ga₂O₃ 薄膜中产生的光生载流子在传输过程中不可避免地会受到外延重组界面的缺陷影响，这些缺陷也是载流子的高复合中心。远离这一区域可以提高光电探测器的性能。使用高质量材料的p-n结构及其产生的内建电场可有效促使载流子远离重组区。研究团队的工作重点是通过 Mist-CVD 法在蓝宝石上依次外延生长 NiO/β-Ga₂O₃ 高质量单晶薄膜异质结并进一步制备光电探测器。通过掺杂不同浓度的 Li⁺ 来调节 NiO 薄膜中的空穴浓度，进而使光生载流子在 pn 结作用下远离界面。与没有掺杂 NiO 中间膜的光电探测器相比，掺杂了 1% Li⁺ 的 NiO/β-Ga₂O₃ 结构的光电探测器性能有了显著提高，最大响应率达到 1002.5 A/W，峰值检测率高达 3.31 × 10¹⁵ Jones。

        通过低成本 Mist-CVD 外延生长出单晶 NiO 和 β-Ga₂O₃。

        p 型 NiO 层提供电场，帮助光生载流子远离重组区。

        采用该结构的日盲光电探测器实现了 1002.5 A/W 的最大 R 值和 3.31 × 10¹⁵ Jones 的峰值 D*。

        研究团队利用 Mist-CVD 技术制备出了具有蓝宝石/NiO/β-Ga₂O₃ 结构的单晶异质结薄膜。通过在 NiO 薄膜中掺入不同浓度的锂元素，成功制备出了具有不同空穴浓度的 NiO 薄膜。受益于 pn 结控制的电场，NiO（掺杂 1 % Li⁺）/β-Ga₂O₃ 结构的光电探测器实现了 1002.5 A/W 的最大 R 值和 3.31 × 10¹⁵ Jones 的峰值 D*。该团队的工作旨在提供一种低成本的材料外延生长方法，为推动基于 Ga₂O₃ 的器件的发展做出贡献。

图 1. (a) 无 p 型层的 Ga₂O₃ 器件原理图。(b) 有 p 型层的 n 型 Ga₂O₃ 器件原理图。

图 2. (a) Ga₂O₃/NiO/蓝宝石异质结结构的 XRD 曲线。(b) 蓝宝石上 Ga₂O₃ 和 NiO 薄膜的紫外可见透射光谱。(c) 具有 Ga₂O₃/NiO/蓝宝石 结构的异质结的截面 SEM 图像。(d)-(f) 分别为 Ni、Ga 和 O 元素的 EDS 图谱。

DOI：

doi.org/10.1016/j.jallcom.2025.181097