劉益春院士團(tuán)隊李炳生教授MOCVD課題組研究論文---引入GaON成核層實現(xiàn)β-Ga?O?/GaN高性能紫外探測器
由集成光電子全國重點(diǎn)實驗室東北師范大學(xué)的研究團(tuán)隊在學(xué)術(shù)期刊 Materials Today Physics 發(fā)布了一篇名為 Enhanced performance UV photodetectors based on the β-Ga2O3/GaN photodiode of the reversed substitution growth with introduction nucleation layer of GaON by oxygen plasma treatment（通過氧等離子體處理引入 GaON 成核層進(jìn)行反向替代生長，增強(qiáng)基于 β-Ga2O3/GaN 光電二極管紫外光電探測器的性能）的文章。
1. 項目支持
本研究得到了國家自然科學(xué)基金（62274027和62404039）、寬帶隙光電子材料與器件集成學(xué)科創(chuàng)新引智基地（B25030）松山湖材料實驗室開放研究基金（2023SLABFK03）和吉林?。?0220502002GH）、CPSF博士后科研流動項目（GZC20230416）以及中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項資金（2412024QD010）的支持。
2. 背景
β-Ga2O3 因高吸收系數(shù)及紫外區(qū)域的高效光子吸收成為理想紫外光電探測器材料。為提升光電轉(zhuǎn)換效率，常通過構(gòu)建異質(zhì)結(jié)以促進(jìn)載流子分離與傳輸。其中，β-Ga2O3/GaN異質(zhì)結(jié)得益于兩者間的較小晶格失配而備受關(guān)注。傳統(tǒng)外延 n-β-Ga2O3/p-GaN 異質(zhì)結(jié)因界面勢壘阻礙載流子輸運(yùn)并降低檢測效率。而反向替代法因高溫氧化速度過快易造成表面熱損傷。本研究提出氧等離子體處理(OPT)輔助反向替代法，在 GaN 表面預(yù)先形成 GaON 成核層。并系統(tǒng)的研究了GaON 層對后續(xù)氧化的性能影響。
3. 文章摘要
展示了一種具有偏壓可調(diào)光譜響應(yīng)（UVC 波段到 UVA-UVC波段）的高性能 β-Ga2O3/GaN 紫外光電探測器。該器件是通過一種新的反向替代生長路線制造的，通過 OPT 在 GaN 表面引入 GaON 成核層，用于 β-Ga2O3 合成。詳細(xì)分析了成核層對 GaN 在氧氣環(huán)境下高溫轉(zhuǎn)化為 β-Ga2O3 的影響。X 射線衍射（XRD）證實，形成了具有窄線寬的（-201）擇優(yōu)取向單斜相 β-Ga2O3。X射線光電子能譜（XPS）和原子力顯微鏡（AFM）證實，經(jīng)OPT處理的 β-Ga2O3 表面上的氧空位（VO）和表面粗糙度的均方根（RMS）都降低了，從而與電極形成了更好的界面接觸。同時，內(nèi)部 VO 的增加增強(qiáng)了材料的導(dǎo)電性，從而提高了光電響應(yīng)性能。金屬半導(dǎo)體金屬（MSM）器件實現(xiàn)了超高的探測能力（響應(yīng)度= 653 A/W，探測率= 2.9×1015 Jones），并通過改變施加的偏壓在日盲窄帶和 UVA-UVC 寬帶之間切換響應(yīng)光譜。瞬態(tài)響應(yīng)時間以毫秒為單位。在垂直型 β-Ga2O3/GaN 光電二極管中，在 -10 V 的偏壓下，光電探測器的響應(yīng)度和探測率達(dá)到 2.1 A/W 和 7.2×1013 Jones，瞬態(tài)響應(yīng)時間快（上升時間=0.24 ms，衰減時間=17.1 ms）。
4. 創(chuàng)新點(diǎn)
•使用反向替代法，殘留的氮（作為受體）導(dǎo)致所得 Ga2O3 中的費(fèi)米能級低于 GaN。改變光生載流子的輸運(yùn)方向，有助于避免能帶偏移的界面勢壘。
•OPT 輔助反向替代法，在熱氧化前引入 GaON 成核層，降低氧化速率。
•有效控制了 β-Ga2O3 中的氧空位，減少了表面缺陷，提高了材料的導(dǎo)電性。
•通過控制施加的偏壓，實現(xiàn)了從 UVC 波段到 UVA-UVC 波段的可調(diào)諧檢測。
5. 結(jié)論
在這項研究中，β-Ga2O3 薄膜在GaN上成功地進(jìn)行了熱氧化。通過調(diào)節(jié)施加的偏壓的大小，實現(xiàn)了從 UVC 到 UVC-UVA 波段的可調(diào)檢測。此外，通過 OPT 引入 GaON 的方法降低了 β-Ga2O3 的表面粗糙度，有效地控制了表面和內(nèi)部的氧空位。在提高樣品電導(dǎo)率的同時，表面缺陷狀態(tài)也得到了改善。MSM 型 β-Ga2O3/GaN 異質(zhì)結(jié)光電探測器的響應(yīng)度在 10 V 下從 79 A/W 顯著提高到 653 A/W。同時，瞬態(tài)響應(yīng)速度得到了提高，上升/衰減時間分別為 0.29 ms/68 ms。此外，垂直型器件得到了進(jìn)一步優(yōu)化，實現(xiàn)了 0.24 ms 的上升時間和 17 ms 的衰減時間。這項研究為提高紫外光電探測器的性能提供了一種實用的方法。
6. 圖文內(nèi)容
圖1. Ga2O3 生長工藝流程圖。
圖2. Ga 3d 的 XPS 光譜：(a)未經(jīng) OPT 處理的 GaN 和 (b) 經(jīng)過 OPT 處理的 GaN。(c)經(jīng)過 OPT 處理的 GaN 原子排列分布示意圖。
圖3.（a） 樣品 A（未經(jīng) OPT 處理的 GaN 氧化后的氧化鎵）、樣品B（經(jīng) OPT 處理的 GaN 氧化后的氧化鎵）和 GaN 的 XRD 光譜。（b） 經(jīng)過和未經(jīng)過 OPT 的 GaN 的氧化生長速率。（c，d）掃描面積為 5μm×5μm 的樣品 A 和樣品 B 的AFM 圖像。（e） 樣品 A、樣品 B 和 Ti 的 KPFM 和電位圖。
圖4. 樣品 A 和樣品 B 的 XPS 光譜：（a，b）Ga 3d；（c，d）O 1s；（e，f）Ar+ 蝕刻后的 Ga 3d；Ar+ 蝕刻后的（g，h）O 1s。
圖5. 樣品 A 和樣品 B 的 MSM 型的 β-Ga2O3/GaN 紫外光電探測器的光電性能表征：（a）器件結(jié)構(gòu)示意圖。（b，c）I-V曲線。（d，f）低偏壓下的響應(yīng)度光譜。（e，g）高偏壓下的響應(yīng)度光譜。（h）電子輸運(yùn)圖。
DOI：
doi.org/10.1016/j.mtphys.2025.101729
本文轉(zhuǎn)發(fā)自《亞洲氧化鎵聯(lián)盟》訂閱號