【国际论文】异质外延 α-Ga₂O₃ 光探测器中超薄 HfO₂ 中间层对 UVC 的响应增强

        由韩国崇实大学的研究团队在学术期刊 Micromachines 发布了一篇名为 Enhanced UVC Responsivity of Heteroepitaxial α-Ga₂O₃ Photodetector with Ultra-Thin HfO₂ Interlayer（异质外延 α-Ga₂O₃ 光探测器中超薄 HfO₂ 中间层对 UVC 的响应增强）的文章。

        紫外线（UV）检测在众多领域中至关重要，包括火灾探测、消毒、环境监测、航空航天以及国防系统。在紫外线光谱中，高能的 UVC 辐射（波长小于 280 nm）在极端环境中尤为关键。然而，其致癌性以及造成严重 DNA 损伤的能力对生物系统，包括人类皮肤和眼睛，构成了重大风险。尽管平流层中的臭氧层能有效吸收大部分 UVC 辐射，但在可见光或太阳光照射下选择性检测微弱的 UVC 信号仍是一项重大的技术挑战。因此，开发能够在太阳光环境中运行的高灵敏度和高选择性的 UVC 探测器对于推进这些关键应用至关重要。长期以来，诸如铝镓氮（AlGaN）和金刚石之类的宽带隙半导体一直被视为用于 UVC 检测的材料。然而，由于三元合金体系的复杂性，氮化铝镓在实现高质量薄膜方面面临挑战，而金刚石尽管具有出色的固有特性，却因高昂的制造成本和大面积集成的有限可扩展性而受到阻碍。

        本研究探讨了 HfO₂ 中间层厚度对基于异质外延 α-Ga₂O₃ 层的金属-绝缘体-半导体-绝缘体-金属（MISIM）紫外光探测器性能的影响。较薄的 HfO₂ 中间层可提升界面质量并降低界面陷阱密度，从而改善 UVC 光探测器的性能。制备的 1 nm HfO₂ 中间层器件展现出显著降低的暗电流和更高的光电流，优于传统金属-半导体-金属（MSM）结构。具体而言，1 nm HfO₂ MISIM 器件在 20 V 电压下展现出 2.3 μA 的光电流和 6.61 pA 的暗电流，而 MSM 器件的光电流为 1.1 μA，暗电流为 73.3 pA。此外，光探测器的性能从灵敏度、响应速度和高温操作等方面进行了全面评估。这些结果表明，所提出的超薄 HfO₂ 中间层是一种有效的策略，可通过同时抑制暗电流并提高光电流来提升 α-Ga₂O₃ 基 UVC 光探测器的性能，并最终证明其在极端环境条件下稳定运行的潜力。

图1. (a) MISIM 光探测器的示意图，其中包括覆盖在 α-Ga₂O₃ 上的 HfO₂ 绝缘层，以及 α-Ga₂O₃ 晶格结构的 3D 示意图。 (b) 光学透射光谱，其中插图显示了异质外延 α-Ga₂O₃ 层的光学带隙，该带隙通过 Tauc 图估算得到。(c) 异质外延 α-Ga₂O₃ 层的高分辨率 X 射线衍射 (HR-XRD) 2θ 扫描图。 (d) (0006) 衍射峰的 HR-XRD 摇摆曲线。 (e) α-Ga₂O₃ 薄膜的交叉视场透射电子显微镜 (TEM) 图像，附带选区电子衍射图案。

图2. (a) MSM 结构中 Ga 3d_5/2 的 XPS 光谱；(b) MISIM 结构中 Hf 4f_5/2、Hf 4f_7/2 和Ga 3d_5/2 的 XPS 光谱。MSM 结构的 O 1s XPS 光谱（c）和 MISIM 结构的 O 1s XPS 光谱（d），显示了 Ga₂O₃ 和氧空位。

DOI：

doi.org/10.3390/mi16070836