【国内论文】太原理工大学---多孔Ga₂O₃/GaN异质结的制备及其在紫外光探测器中的应用

        由太原理工大学的研究团队在学术期刊 Optics Express 发布了一篇名为 Fabrication of porous Ga₂O₃/GaN heterojunction for ultraviolet photodetector application（多孔 Ga₂O₃/GaN 异质结的制备及其在紫外光探测器中的应用）的文章。

        本研究得到山西省重点研发计划项目（202302150101001）；山西浙大先进材料与化学工程研究院（2021SX-AT002，2022SX-TD018）；国家自然科学基金（21972103，61904120）的支持。

        紫外光探测器在军事和民用领域有着广泛的应用，例如天文成像系统、化学/生物分析、生物气溶胶检测、臭氧层空洞监测以及安全通信等。在目前已报道的光探测器中，p-n 结型紫外光探测器因其诸多优点而备受关注，这些优点包括低暗电流（I_dark）、低功耗和高响应度。作为重要的第四代半导体材料，Ga₂O₃ 由于其宽禁带（4.4 - 5.2 eV）、高紫外光透过率（超过 80%）、大边缘吸收系数（高达 10⁵ cm^-1）以及出色的化学和热稳定性，是紫外光探测应用中很有前景的候选材料。由于 Ga₂O₃ 的本征氧空位缺陷，其通常被认为是一种 n 型半导体。然而，由于氧空位的自补偿效应以及受主能级较深，p 型 Ga₂O₃ 很难获得，这极大地限制了基于 Ga₂O₃ 的 p-n 结型光探测器的发展。为应对这一挑战，研究人员提出将 Ga₂O₃ 与 NiO、SnO₂ 和 GaN 等 p 型半导体集成，以构建异质结光电探测器。特别是 GaN 因其高载流子迁移率、宽直接带隙（3.4 eV）、良好的化学和热稳定性而备受关注；此外，与 Ga₂O₃ 结合时，GaN表现出最小的晶格失配和较低的导带漂移。

        Ga₂O₃/GaN 异质结在光电器件中具有重要应用。了解异质结的光电性能和界面关系是设计最优器件的关键。本文对多孔 Ga₂O₃/GaN 异质结进行了系统研究。首先通过紫外辅助电化学蚀刻制备多孔 GaN，然后通过热氧化将其转化为多孔 Ga₂O₃。与平面 Ga₂O₃/GaN 异质结相比，多孔 Ga₂O₃/GaN 异质结具有更高的晶体质量。在 254 nm紫外线（0.33 mw/cm²）照射下，0 V 偏压时，多孔 Ga₂O₃/GaN 异质结表现出 10520 的光/暗电流比、0.108 A/W 的响应度、52.9% 的外量子效率（EQE）、1.36×10¹² Jones的探测率（D*）以及 0.35 s/0.13 s 的响应时间。此外，通过能带结构和载流子传输过程图进一步探讨了该器件的工作机制。本研究为基于 Ga₂O₃/GaN 异质结的下一代光电器件的开发铺平了道路。

        ● 与平面Ga₂O₃/GaN异质结相比，多孔Ga₂O₃/GaN异质结具有更高的晶体质量 ，并且表现出更强的衍射峰和增强的振动模式，证实了其晶体质量的提高 。多孔结构还具有更大的孔隙率和比表面积，能加快氧化速率 。

        ● 研究结合 XRD、Raman 和 TEM 分析，指出多孔结构不仅提高了光吸收和载流子利用效率，还通过微腔结构加速载流子传输并降低缺陷密度，从而优化了器件的光电响应。

        ● 通过能带结构图和载流子动态分析，厘清了在 254 nm 和 365 nm 紫外光下的电子传输路径及电流生成机制，为后续优化异质结设计提供理论基础。

        本研究设计了一种多孔 Ga₂O₃/GaN 异质结，并通过 SEM、拉曼光谱和 TEM 对其形貌、结构和晶面取向关系进行了研究。随后，利用该异质结构建了紫外光探测器。在 254 nm紫外光（0.33 mw/cm²）照射下，该器件在 0 V偏压下实现了 0.22 nA的暗电流、0.108 A/W的响应度、1.36×10¹²  Jones的探测率、52.9% 的外量子效率、0.35 s/0.13 s的上升/下降时间以及 10520 的光电流/暗电流比。该器件还表现出良好的重复性和稳定性。上述数据表明，多孔 Ga₂O₃/GaN 异质结光探测器能够高效吸收紫外光。结果表明，这是一种开发高性能光探测器的新方法。

DOI：

doi.org/10.1364/OE.561140