由西安工程大學聯(lián)合西安電子科技大學郝躍院士、馬曉華教授的研究團隊在學術期刊 Crystal Growth & Design 發(fā)布了一篇名為Preparation and Properties of Wafer-Level Nanoporous GaN-Based N-Doped β-Ga₂O₃ Solar-Blind Photodetectors（晶圓級納米多孔 GaN 基 N 摻雜 β-Ga₂O₃ 日盲光探測器的制備與特性研究）的文章。

一、 背景

在 200-280 nm 波段的日盲紫外探測在火焰預警、深空通信及生化檢測等領域具有核心價值。β-Ga₂O₃ 憑借 4.8 eV 的超寬帶隙，無需復雜濾光片即可實現(xiàn)理想的日盲響應，是該領域的明星材料。傳統(tǒng)的 β-Ga₂O₃ 探測器常面臨光響應速度慢（受持續(xù)電導效應 PPC 影響）、暗電流高以及大面積制備一致性差的問題。此外，β-Ga₂O₃ 極低的熱導率也限制了其在高功率環(huán)境下的穩(wěn)定性。將氧化鎵與 GaN 構建異質結是提升性能的常見方案。引入納米孔 GaN（NP-GaN）作為襯底具有多重意義：首先，納米孔結構可以顯著增加有效感光面積；其次，孔洞結構能有效釋放異質外延生長中的晶格應力，減少界面缺陷；最后，納米級結構能誘導局部電場增強，加快載流子的分離。純氧化鎵中的氧空位往往導致較高的背景電子濃度和嚴重的 PPC 效應。通過 N 摻雜，可以調節(jié)載流子濃度，優(yōu)化界面能帶對準，從而改善探測器的線性度和響應速度。

二、 主要內容

通過電化學蝕刻和脈沖激光沉積技術，制備了基于氮摻雜 β-Ga₂O₃ 的晶圓級納米多孔 GaN 基日盲光探測器（NP-GaN/N-Ga₂O₃）。不同氮摻雜濃度的 NP-GaN/N-Ga₂O₃ 薄膜均呈現(xiàn) [−201] 取向結構。氮摻雜后，NP-GaN/N-Ga₂O₃ 的缺陷相關光致發(fā)光（PL）強度顯著減弱，表明氮摻雜使 β-Ga₂O₃ 薄膜從直接帶隙轉變?yōu)殚g接帶隙。隨著氮摻雜濃度增加，NP-GaN/N-Ga₂O₃ 薄膜的缺陷相關 PL 強度逐漸減弱，這是由于 β-Ga₂O₃ 薄膜中缺陷密度降低所致。與生長后的氮摻雜 β-Ga₂O₃（AG-GaN/N-Ga₂O₃）相比，NP-GaN/N-Ga₂O₃ 的 PL 強度較弱，這是由于 NP-GaN 的應力松弛和缺陷密度降低改善了 β-Ga₂O₃ 薄膜的晶體質量。β-Ga₂O₃（−201）|| GaN（0001）與 β-Ga₂O₃ [010] || GaN [−12–10] 的外延關系得到證實。與未摻雜的 β-Ga₂O₃ 光電二極管相比，N 摻雜的 β-Ga₂O₃ 光電二極管具有更低的暗電流和更短的上升/衰減時間，這是由于 N 摻雜降低了氧空位密度。

三、 創(chuàng)新點

● 利用 NP-GaN 的幾何特性實現(xiàn)了局域電場的分布優(yōu)化，這種三維界面設計有效克服了傳統(tǒng)平面異質結光吸收不足的問題。

● 首次系統(tǒng)探討了 N 摻雜在 NP-GaN 模板上對 β-Ga₂O₃ 電子結構的調制作用，證明了 N 元素能有效鈍化界面態(tài)，減緩捕獲效應引起的信號遲滯。

● 實現(xiàn)了晶圓級的制備工藝，證明了該方法在大面積均勻性生產中的可行性，為工業(yè)化應用奠定了基礎。

四、 總結

通過電化學蝕刻和脈沖激光沉積技術，制備了基于氮摻雜 β-Ga₂O₃ 的晶圓級納米多孔 GaN 基日盲光探測器（NP-GaN/N-Ga₂O₃）。不同氮摻雜濃度的 NP-GaN/N-Ga₂O₃ 薄膜均呈現(xiàn) [−201] 向結構。氮摻雜后，NP-GaN/N-Ga₂O₃ 的缺陷相關光致發(fā)光（PL）強度顯著減弱，表明氮摻雜使 β-Ga₂O₃ 薄膜從直接帶隙轉變?yōu)殚g接帶隙。隨著氮摻雜濃度增加，NP-GaN/N-Ga₂O₃ 薄膜的缺陷相關 PL 強度逐漸減弱，這是由于 β-Ga₂O₃ 薄膜中缺陷密度降低所致。與生長后的氮摻雜 β-Ga₂O₃（AG-GaN/N-Ga₂O₃）相比，NP-GaN/N-Ga₂O₃ 的 PL 強度較弱，這是由于 NP-GaN 的應力松弛和缺陷密度降低改善了 β-Ga₂O₃ 薄膜的晶體質量。β-Ga₂O₃（−201）|| GaN（0001）與 β-Ga₂O₃ [010] || GaN [−12–10] 的外延關系得到證實。與未摻雜的 β-Ga₂O₃ 光電二極管相比，N 摻雜的 β-Ga₂O₃ 光電二極管具有更低的暗電流和更短的上升/衰減時間，這是由于 N 摻雜降低了氧空位密度。

五、 項目支持

本研究得到中國陜西高校優(yōu)秀青年人才支持計劃、陜西省重點研發(fā)計劃（2025CY-YBXM-052）、西安市科技項目（25GXKJRCO0069）、 咸陽市“科學家+工程師”隊伍建設項目（L2024-CXNL-KJRCTDDWJS-0008）；陜西省技術創(chuàng)新引導項目（2025ZC-YYDP-30；2025ZC-YYDP39）； 中國大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃（S202510709118）；陜西省教育廳重點項目（25JP069）；陜西省“科學家+工程師”隊伍建設項目；西安理工大學本科生代表性成果專項計劃 (2025bzcg20)。

圖1. 不同氮濃度（0、1、2 和 3 at%）的 NP-GaN 基 N 摻雜 β-Ga₂O₃（NP-GaN/N-Ga₂O₃）的（a）能譜（EDS）圖譜與（b）輪廓儀譜圖。

圖2. 不同氮濃度的 NP-GaN/N-Ga₂O₃ 材料：(a) 高分辨 X 射線衍射圖譜；(b) 拉曼光譜。

圖3. 不同氮濃度下 NP-GaN/N-Ga₂O₃ 的發(fā)光光譜。

圖4. NP-GaN/N-Ga₂O₃（3 at%）的（a）晶圓級照片，以及（b）O、（c）Ga和（d）N的EDS譜圖。

圖5. NP-GaN/N-Ga₂O₃（3 at %）的（a）XRD Φ 掃描譜圖（顯示 GaN {10−12} 面與β-Ga₂O₃ {−401} 面），以及（b）截面 SEM 圖像。

圖6. 基于 AG-GaN 的 N 摻雜 β-Ga₂O₃（AG-GaN/N-Ga₂O₃）（3 at %）與NP-GaN/N-Ga₂O₃（3 at %）的（a）輪廓儀譜圖、（b）高分辨 X 射線衍射圖譜及（c）光致發(fā)光譜圖。

圖7. NP-GaN/Ga₂O₃ 光電二極管結構示意圖。

圖8. 未摻雜光電二極管（NP-GaN/u-Ga₂O₃ PDs）與 N 型摻雜光電二極管（NP-GaN/N-Ga₂O₃（3 at %）PDs）的（a, b）I-V 曲線、（c, d）10 V 電壓下的時間依賴性光電流曲線，以及（e, f）對應的擬合曲線。

圖9. NP-GaN/u-Ga₂O₃ 光電二極管與 NP-GaN/N-Ga₂O₃（3 at %）光電二極管的表面粗糙度曲線。

圖10. (a) NP-GaN/u-Ga₂O₃ 光電二極管與 (b) NP-GaN/N-Ga₂O₃ (3 at %) 光電二極管的能帶圖。

DOI：

doi.org/10.1021/acs.cgd.5c01767

本文轉發(fā)自《亞洲氧化鎵聯(lián)盟》訂閱號