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α-Ga2O3因其寬帶隙以及卓*化學和物理特性，在光探測器領域受到了越來越多的關注。作者通過經濟實惠且基于非真空的霧化學氣相沉積（Mist-CVD）技術，成功在藍寶石基底上沉積了硅摻雜α-Ga2O3單晶外延薄膜。利用這種薄膜制備了一個性能出色的指狀金屬-半導體-金屬（MSM）光探測器。在254納米光照和20伏偏壓下，該光探測器具有高亮暗電流比、高響應度、高探測度以及高外部量子效率。這些結果表明，硅摻雜α-Ga2O3薄膜在高性能光探測器應用中具有巨大的潛力。
分享一篇來自山東大學馮華鈺老師的新研究成果，本文以“High-performance solar-blind photodetector based on Si-doped α-Ga2O3 thin films grown by mist chemical vapor deposition"為題發表于期刊Journal of Alloys and Compounds，希望能對您的科學研究或工業生產帶來一些靈感和啟發。
正文
由于平流層臭氧層的強吸收能力，幾乎沒有低于280納米的太陽輻射光子到達地球表面，這個波段被稱為日盲區。在這個波段工作的探測器對紫外線更敏感，對可見光和紅外輻射響應較少。因此，它們被廣泛應用于火災預警、導*預警、生化檢測、安全通信等軍事和民用領域。對于這些應用，日盲紫外線探測器需要具有高光響應性和快速響應速度。近年來，為了開發深紫外日盲探測器，人們探索了多種材料，包括AlGaN、MgZnO、金剛石、Ga2O3等。氧化鎵是一種多形態、超寬帶隙半導體材料（4.6-5.3電子伏特），主要包括α、γ、β、ε、σ等，它們具有不同的晶體結構：剛玉結構、尖晶石結構、單斜晶體、正交晶體和立方晶體系統。在這些不同的晶體相中，β-Ga2O3具有*穩定的晶體結構，可以通過多種工藝制備。與β-Ga2O3相比，α-Ga2O3具有更高的帶隙寬度（約5.3電子伏特）、更高的擊穿電場強度、更優*的物理和化學性質，已成為一種有前途的寬帶隙半導體材料。此外，其光學吸收邊緣位于深紫外光譜區域（200-280納米），其帶隙無需通過復雜和不可控的合金化過程進行調整，使其成為日盲探測的優秀候選材料。
在過去幾年中，許多研究報告了利用α-Ga2O3的日盲光探測器，這些探測器通常表現出低暗電流和高響應性。然而，α-Ga2O3光探測器的性能并不完*，摻雜是提高光電性能的有效方法。Si作為摻雜劑在導電α-Ga2O3的生長中具有潛在應用，顯示出更高的電導率和更低的調控載流子濃度，可以提高其電導率。不幸的是，由于難以獲得體材料，α-Ga2O3通常通過異質外延獲得，例如分子束外延、原子層沉積、金屬有機化學氣相沉積、氫化物氣相外延等。與上述方法相比，霧化學氣相沉積（Mist-CVD）作為一種簡單、安全、經濟、低能耗的生長技術，在氧化物半導體薄膜的生產中具有很大的優勢。此外，具有剛玉結構的α-Ga2O3作為α-Ga2O3異質外延基底的高適應性使其能夠在廉價的藍寶石基底上進行大規模異質外延。
在這項工作中，作者通過霧化學氣相沉積在藍寶石上沉積了α-Ga2O3薄膜，并用氯代（3-氰丙基）二甲基硅烷[ClSi(CH3)2((CH2)2CN)]摻雜。通過在硅摻雜的α-Ga2O3薄膜上蒸發指狀Ti/Au電極，通過電子束蒸發制備了MSM光探測器。該設備表現出色。由于其出色的光電性能和低生產成本，硅摻雜的α-Ga2O3薄膜在下一代光電領域具有廣闊的應用前景。
研究結果與討論
圖1(a)展示了在黑暗中用不同比例Si/Ga原子的硅摻雜α-Ga2O3薄膜制備的MSM光電探測器的電流-電壓（I-V）特性。在20V下，所有光電探測器都顯示出低暗電流。在Si-Ga原子比例較低時，暗電流（Idark）隨Si含量增加而變化不大。當Si-Ga原子比例較高（4%）時，暗電流增加了近一個數量級，這主要與Si作為有效電子供體的數量有關。在254納米紫外光下，所有設備的光電流（Ilight）比相應的暗電流大幾個數量級，如圖1(b)所示。圖1(c)-1(f)顯示了所有MSM光電探測器在黑暗條件和254納米紫外輻照下的對數I-V曲線，顯示出明顯的光響應。硅摻雜α-Ga2O3光電探測器在254納米下的光電響應可以歸因于Urbach尾態吸收。
圖1. 在(a)黑暗和(b)254納米光照下，不同溶液中Si-Ga原子比例的樣品顯示出線性I-V特性。α-Ga2O3紫外探測器在黑暗和254納米光照下的I-V特性：(c) 0.3%，(d) 1%，(e) 2%和(f) 4%硅摻雜α-Ga2O3。
為了研究硅摻雜α-Ga2O3薄膜光電探測器的響應速度，測量了不同器件在5V和20V偏壓下的瞬態響應，如圖2(a)和2(b)所示。在測量過程中，使用254納米和20μW/cm2紫外光作為光源，并且每10秒重復開關。經過幾次照明周期后，器件仍然顯示出幾乎相同的響應，表明光電探測器具有出色的可重復性和穩定性。通常，光電探測器的響應和衰減曲線表現出兩個不同的組成部分：快速響應和慢速響應。快速響應時間與光生載流子的產生和復合相關，這取決于電極之間的電子傳輸。慢速響應時間與薄膜中缺陷捕獲和釋放載流子相關。
圖2. 在254納米和20微瓦/平方厘米光照射下，不同溶液中Si-Ga原子比例的α-Ga2O3:Si光電探測器在偏壓(a) 5V和(b) 20V下的光響應的時間變化特性。在5V偏壓下，254納米、20微瓦/平方厘米光照中單周期內(c) 0.3%，(d) 1%，(e) 2%和(f) 4%的瞬態響應的放大。
圖2(c)-2(f)顯示了所有樣品在開關周期內瞬態響應的相應上升時間(τr1/τr2)和下降時間(τd1/τd2)。值得注意的是，與其它低濃度樣品相比，當溶液中Si/Ga原子比例為4%時，器件的上升和下降時間更快。這與光生載流子被缺陷捕獲有關。由于α-Ga2O3薄膜與基底在異質外延生長過程中的晶格失配，外延薄膜受到藍寶石基底的平面壓縮應力的影響，并且在界面處周期性地發生失配錯位。這里，作者推測低摻雜濃度樣品中存在更多的陷阱和缺陷，缺陷在薄膜中捕獲載流子，導致載流子壽命延長和響應時間增加，與之前的分析一致。
圖3. MSM光電探測器載流子傳輸和能帶示意圖：(a) 低摻雜濃度在黑暗條件下，(b) 高摻雜濃度在黑暗條件下，以及 (c) 紫外光條件下。
圖3展示了硅摻雜α-Ga2O3薄膜光電探測器的工作機制。根據之前的報告，摻雜方法不會導*極性光學聲子和雜質的散射，這些是影響遷移率的主要因素。相反，Si4+替代Ga3+通過減少α-Ga2O3外延薄膜中的位錯和缺陷來提高晶體質量，從而進一步增加載流子遷移率。隨著Si4+摻雜濃度的增加，載流子濃度增加，α-Ga2O3與金屬Ti/Au之間的勢壘高度降低（圖3(a)和3(b)）。當紫外光照射時，價帶中的電子獲得能量并躍遷到導帶成為導電電子，同時在價帶中留下導電空穴，如圖3(c)所示。在相同的偏壓條件下，高摻雜濃度的樣品可以表現出更大的光/暗電流比和更快的載流子遷移。更快的遷移率使得缺陷捕獲載流子的可能性降低。另一方面，與低摻雜濃度的樣品相比，Si的摻雜濃度可以減少薄膜中的陷阱和缺陷數量，提高薄膜質量，降低載流子壽命，并實現更快的光響應。
圖4. α-Ga2O3光電探測器在不同Si/Ga原子比例下的光譜響應度。
圖4以及本研究中的光譜響應度信號數據使用卓立漢光公司的DSR300微納器件光譜響應度測試系統測試得到。其功能全面，提供多種重要參數測試。系統集成高精度光譜掃描，光電流掃描以及光響應速率測試。40μm探測光斑，實現百微米級探測器的絕對光譜祥響應度測量，能滿足不同探測器測試功能的要求，是微納器件研究的優選。
總結和結論
作者通過簡單、安全、經濟、低能耗的霧化學氣相沉積（Mist-CVD）技術制備了源自硅摻雜α-Ga2O3外延薄膜的日盲MSM光電探測器。利用最佳硅摻雜α-Ga2O3薄膜（溶液中Si/Ga原子比例為4%）的光電探測器在20V偏壓和254納米光照下展現出卓*的整體性能，具有3.24×106的光暗電流比、3.23×102 A/W的響應度、8.80×1015 Jones的探測度和1.58×105 %的外部量子效率。作者的工作表明，利用無需真空、成本可承受的Mist-CVD系統生長硅摻雜α-Ga2O3薄膜，是日盲深紫外探測應用的一個有前景的方向。
山東大學馮華鈺老師簡介
馮華鈺，副研究員，碩士生導師。主要從事微納加工、納米光學、半導體材料和器件等方面的研究，以第一作者在Adv. Opt. Mater.（內封面文章）, Nanoscale, APL, Opt. Express（編輯高亮文章）等雜志上發表多篇文章；正在主持包括國家自然科學基金青年項目、中國博士后科學基金特別資助等在內的四項國家和省部級項目；多次在PIERS、META等著名國際會議上做口頭報告。
教育經歷：
2012年9月-2017年5月，西班牙馬德里自治大學/馬德里微電子研究所/馬德里先進研究院，凝聚態物理，博士，導師：羅鋒 研究員/Alfonso Cebollada教授
2009年9月-2012年6月，山東大學，材料物理與化學，碩士，導師：陶緒堂 教授
2005年9月-2009年6月，山東大學，微電子學，學士；
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