近日，由中山大學裴艷麗教授研究團隊在學術期刊 Semiconductor Science and Technology 發布了一篇名為 High performance solar-blind photodetectors based on MOCVD grown β-Ga₂O₃ with hydrogen plasma treatment（基于氫等離子體處理 MOCVD 生長的 β-Ga₂O₃ 高性能日盲光電探測器）的文章。

1. 項目支持

該研究得到吉林省科技發展計劃項目（No. YDZJ202303CGZH022）、深圳市科技計劃項目（GJHZ202209131 42807014，No. 20231127114207001） 國家重點研發計劃（2024YFE0205300）和光電材料與技術全國重點實驗室開放基金（OEMT-2023-KF-05）的支持。

2. 背景

日盲紫外光電探測器在導彈預警、火焰探測、空間通信等領域具有廣泛應用前景。β-Ga₂O₃ 由于其超寬禁帶（4.9–5.2 eV）、高擊穿場強和優異的抗輻照性能，成為理想的日盲紫外探測材料。金屬-半導體-金屬（MSM）型光電探測器因其結構簡單、易于制造而被廣泛研究和應用。該結構具有光電導增益，可獲得高的探測靈敏度。然而，由于費米能級釘扎效應，高阻的 β-Ga₂O₃ 一般會與金屬之間形成肖特基接觸。雖然肖特基接觸有利于降低光電探測器的暗電流，但光生載流子的收集效率和增益電子的注入效率會下降，同時也會引起探測器的持續光電導效應。而歐姆接觸可以提升光生載流子的收集效率和增益電子的注入效率，避免了肖特基勢壘引起的持續光電導，有望同時改善增益和響應度。

3. 主要內容

隨著對高效日盲紫外光探測器（SBPD）需求的不斷增長，β-Ga₂O₃ 的優異特性引起了廣泛關注。該研究基于 β-Ga₂O₃ 薄膜制備了具有金屬-半導體-金屬結構的 SBPD。采用金屬有機化學氣相沉積法在 c 面藍寶石襯底上生長出 (-201) 擇優取向的 β-Ga₂O₃ 薄膜。通過等離子體處理，在接觸區域下方選擇性地將氫作為淺施主引入 β-Ga₂O₃ 表層，以增強歐姆接觸。制備出的探測器具有優異的性能，包括在 238 nm 波長下出色的響應度（3.0×10⁴ A W⁻¹）、比探測率（1.2×10¹⁷ Jones）及外量子效率（1.5×10⁷%）。此外，還實現了更快的響應速度。器件性能的提升歸因于氫等離子體處理后具有更快的載流子傳輸速度和更高的增益電子注入效率。結果表明，在金屬-半導體的接觸處進行氫等離子體處理是一種實現高性能 β-Ga₂O₃ 日盲紫外光探測器的有效方法。

4. 創新點

● 首次系統地將氫等離子體選區處理技術應用于 MOCVD 生長的 β-Ga₂O₃ 薄膜，并成功用于制造高性能日盲光電探測器。

● 清晰地揭示了氫對薄膜導電性提升的物理機制，同時實現了器件響應度和響應速度的提升。

5. 總結

制備了基于 β-Ga₂O₃ 薄膜的 MSM 結構高性能 SBPD。通過在接觸區域下方采用選區氫等離子體處理，引入了淺能級施主，顯著改善了歐姆接觸性能。該方法促進了載流子傳輸速度的提升和增益電子注入效率的提高，從而實現了更加優異的器件性能。制備的光電探測器實現了 3.0 × 10⁴ A W⁻¹ 的高響應度、1.2 × 10¹⁷  Jones 的比探測率、1.5 × 10⁷% 的量子效率以及更快的響應速度。該研究表明選區氫等離子體處理在提升 β-Ga₂O₃ 基光探測器光電性能方面的有效性，為推動高性能日盲紫外光探測技術的發展提供了有效指導。

圖1. (a)薄膜的2θ-ω掃描曲線，插圖為(-201)面的搖擺曲線；(b) SEM截面圖。(c)薄膜的光學帶隙，插圖為光學透過率譜；(d) 氫等離子體處理樣品的 SIMS 深度分布圖

圖2. 氫等離子體處理前的（a）表面形貌和（c）表面電勢；氫等離子體處理后（b）表面形貌和（d）表面電勢

DOI：

doi.org/10.1088/1361-6641/adc9dd

本文轉發自《亞洲氧化鎵聯盟》訂閱號