由福州大學(xué)李悌濤、張海忠團隊聯(lián)合上海光機所齊紅基研究員的研究團隊在學(xué)術(shù)期刊 ACS Applied Materials & Interfaces 發(fā)布了一篇名為Ultrahigh-Performance Photovoltaic Ga₂O₃ Solar-Blind Ultraviolet Detectors via Two-Dimensional Step-Flow Growth and Drift Region Optimization（通過二維臺階流生長和漂移區(qū)優(yōu)化實現(xiàn)超高性能光伏 Ga₂O₃ 日盲紫外探測器）的文章。

1. 項目支持

本研究得到了國家自然科學(xué)基金（項目編號：62204270）、福建省重大科技專項（項目編號：2022HZ027006）、泉州市科技重大專項（項目編號：2022GZ7）、福建省科學(xué)技術(shù)廳（福建省產(chǎn)學(xué)研合作項目，項目編號：2023H6030）以及福建省自然科學(xué)基金面上項目（項目編號：2024J01251）的資助。

2. 背景

日盲紫外（SBUV）波段提供了一個特別“干凈”的探測窗口，可應(yīng)用于火災(zāi)監(jiān)測、臭氧空洞監(jiān)測、導(dǎo)彈預(yù)警以及電暈放電監(jiān)測等領(lǐng)域。如今，對于光伏型日盲紫外光電探測器（SBPD）的需求日益增長，這類器件應(yīng)具備光譜選擇性、高量子效率以及零功耗特性，尤其適用于無電源供電的應(yīng)用場景。能夠?qū)?SBUV 波段實現(xiàn)選擇性響應(yīng)的寬禁帶半導(dǎo)體材料包括 Ga₂O₃、 Al_xGa_1-xN 以及 Mg_xZn_1-xO 等體系。相較后兩者而言，Ga₂O₃ 具有 4.8 eV 的超寬帶隙，是天然的日盲紫外吸收材料，無需通過合金化的帶隙調(diào)控過程即可實現(xiàn)對 SBUV 光的選擇性響應(yīng)。此外，大量研究表明其在極端輻照條件和高溫環(huán)境下仍能保持優(yōu)異的工作性能。這些特性使 Ga₂O₃ 成為制備高性能日盲紫外光電探測器的理想材料。

3. 主要內(nèi)容

光伏型日盲紫外光電探測器（SBPD）無需外部電源即可工作，滿足諸如森林火災(zāi)監(jiān)測和大氣臭氧層觀測等極端環(huán)境中的關(guān)鍵需求。氧化鎵（Ga₂O₃）因其耐輻射性和高溫穩(wěn)定性，在極端應(yīng)用中具有重要潛力。在此提出了一種新穎的同質(zhì)外延策略，用于制備“原子級平整”的臺階流 Ga₂O₃ 光敏層，并成功制備了器件級 Ga₂O₃/n⁺- Ga₂O₃ 同質(zhì)結(jié)光伏 SBPD 器件。在零偏壓條件下，這些器件展現(xiàn)出 1.0 V 的最大開路電壓、59.5%的超高外量子效率以及 100 ns 的超快響應(yīng)時間，且即使在 390 K 的高溫下仍能保持穩(wěn)定的性能。通過實現(xiàn)二維臺階流生長模式，有效抑制了體缺陷和界面缺陷，實現(xiàn)了理想的能帶匹配。此外，通過優(yōu)化 Ga₂O₃ 層構(gòu)建的高質(zhì)量耗盡區(qū)促進了載流子的漂移，從而實現(xiàn)高效的載流子收集。該工作充分挖掘了 Ga₂O₃ SBPD 在極端環(huán)境中的應(yīng)用潛力，并提供了一種有效的設(shè)計策略，為實現(xiàn)零功耗、高響應(yīng)度和快速響應(yīng)的光伏探測器提供參考。

4. 創(chuàng)新點

● 本研究開發(fā)了一種獨特的二維臺階流生長技術(shù)，成功制備出具有低缺陷密度的原子級平整 Ga₂O₃ 薄膜，為后續(xù)高性能器件的實現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。

● 通過優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)和漂移區(qū)，成功設(shè)計并制備出零功耗模式下穩(wěn)定工作的肖特基勢壘光電二極管。

● 零偏壓下，該器件同時實現(xiàn)了高外量子效率、超快響應(yīng)速度和低暗電流等多項關(guān)鍵性能指標，顯示了 Ga₂O₃ 在極端環(huán)境下的應(yīng)用潛力。

5. 結(jié)論

本研究成功利用 MOCVD 在 n⁺- Ga₂O₃ 襯底上成功制備了基于高質(zhì)量 Ga₂O₃ 薄膜的垂直肖特基光電二極管。在零功耗模式下，該器件在 246 nm 下表現(xiàn)出較高的響應(yīng)度（118 mA/W）和高外量子效率（59.5%），表明其在無需外部供電的極端環(huán)境應(yīng)用中具有潛力。此外，該器件具有極低的暗電流（0.31 pA）、在 ±5 V 下超過 10⁷ 的整流比、1.53×10⁴ 的光電流對暗電流比（PDCR），以及分別為 100 ns 和 320 μs 的上升和衰減時間，展示了卓越的性能。這些特性歸因于 Ga₂O₃ 外延層優(yōu)異的臺階流形貌和低缺陷密度。同時，薄層和低載流子濃度使得器件在頂部 Pt 電極與底部 n 型導(dǎo)電襯底的作用下實現(xiàn)完全耗盡，形成了寬的空間電荷區(qū)，從而優(yōu)化了載流子的分離與收集效率，實現(xiàn)了在無外加偏壓下接近最佳的性能。本研究開發(fā)的 Ga₂O₃ 光伏型肖特基光電二極管在遠程臭氧空洞監(jiān)測、森林火災(zāi)探測和電暈放電監(jiān)測等極端環(huán)境應(yīng)用中展現(xiàn)出顯著潛力。圖1. 零功耗日盲紫外探測器的應(yīng)用場景及不同類型探測器工作模式的比較(a)高 V_OC 零功耗模式 SBPD 的應(yīng)用場景示意圖。(b) 在 0 V 時即可達到最佳工作性能的高 V_OC 探測器與需要施加偏置才能工作的低 V_OC 探測器性能對比示意圖。

圖2. β-Ga₂O₃ 同質(zhì)外延層的生長與表征。 MOCVD 生長工藝示意圖 (a)、β-Ga₂O₃ 同質(zhì)外延層表面1 × 1 μm² 區(qū)域的AFM圖像 (b)、β-Ga₂O₃ 同質(zhì)外延層的截面SEM圖像 (c)、β-Ga₂O₃ 同質(zhì)外延層的高分辨透射電子顯微鏡（HRTEM）圖像 (d)、沿[00"1"  ?]區(qū)軸拍攝的β-Ga₂O₃ 同質(zhì)外延層選區(qū)電子衍射（SAED）圖案 (e)、β-Ga₂O₃ 薄膜的 XRD圖譜及插圖中的搖擺曲線 (f)、以及(g)激發(fā)波長為 325 nm 時的 β-Ga₂O₃ 薄膜拉曼光譜。

DOI：

doi.org/10.1021/acsami.5c12206

本文轉(zhuǎn)發(fā)自《亞洲氧化鎵聯(lián)盟》訂閱號