基于ε-Ga2O3的日盲紫外探测器件研究

一种能够在日光下工作而不受可见光干扰的紫外光探测器。日盲紫外探测器对可见光具有很低的响应，在环境监测、太阳辐射测量、航天科学、太阳能电池优化和军事应用等领域都有重要的应用。由于紫外光在很多领域中具有重要的研究和应用价值，日盲紫外探测器的发展对于提高测量的精确性和可靠性具有重要意义。

近日，“2023功率与光电半导体器件设计及集成应用论坛”于西安召开。论坛由第三代半导体产业技术创新战略联盟（CASA）指导，西安交通大学、极智半导体产业网（www.casmita.com）、第三代半导体产业主办，西安电子科技大学、中国科学院半导体研究所、第三代半导体产业技术创新战略联盟人才发展委员会、全国半导体应用产教融合（东莞）职业教育集团联合组织、西安和其光电股份有限公司等单位协办。

期间，“平行论坛2：光电子器件及应用”上，中山大学裴艳丽教授带来了“基于ε-Ga2O3的日盲紫外探测器件研究”的主题报告。报告中介绍，日盲紫外探测器在军事和民用领域都有广泛的应用，选择合适的材料是实现日盲特性的关键之一。氧化镓（Ga2O3）的禁带宽度可高达5eV，作为超宽带隙半导体材料，无需进行能带调控，即可进行日盲紫外波段的探测，加之优异的化学、物理性质使得氧化镓材料成为研制日盲紫外探测器的天然材料，无论国防还是民用领域都有着急切需求。

氧化镓拥有五种同分异构体，分别为α, β, γ, δ, 和 ε。相比于稳定的β相氧化镓，其中具有正交结构的ε相氧化镓晶体对称性更好，可以在商用衬底如SiC、GaN、蓝宝石等单晶衬底上进行大面积异质外延，降低氧化镓基紫外探测器的成本，并且有望通过与GaN， AlN等相结合构建高性能日盲紫外探测器。

同时，ε氧化镓是一种铁电半导体，具有非常强的自发极化，这也将为新型日盲紫外探测器的设计提供新思路。目前，ε氧化镓的高质量制备和探测器应用研究尚不成熟。

研究基于MOCVD的方法在蓝宝石衬底上制备高质量的ε氧化镓，研究制备工艺、后退火，以及F离子表面处理等多种手段对ε氧化镓日盲紫外探测性能的影响，揭示外延层缺陷、器件表面特性等影响探测性能的机制，为ε氧化镓基日盲紫外探测器的发展提供实验和理论支撑。

研究采用两步法MOCVD外延了ε氧化镓，并对比了H2O和N2O作为氧源对紫外探测性能的影响。XRD、AFM、CL等手段分析表明，H2O作为氧源可提高结晶质量，降低缺陷密度，并获得了光暗电流比（PDCR）为1.0×103，响应上升时间0.55 s, 衰减时间为0.58 s/3.14s的紫外探测性能。700度以上高温后退火，发生相转变，探测器性能劣化。

低温退火可有效的消除氧空位等点缺陷，降低暗电流，改善光暗电流比和响应时间特性。经过640度退火的日盲紫外探测器，暗电流降低至0.069pA，拒绝比（Rpeak/R400）达到2.4×104, 光暗电流比达到3×105。F表面处理在表面引入二维电子气，改善探测器欧姆接触特性，同时表面的电子势井，改善器件的响应时间，显著增加探测灵敏度和提高增益。

审核编辑：刘清