类型a：这篇文档报告了一项原创研究。
党新明、焦腾、陈沛然、于含、韩宇、李震、李轶涵和董鑫（通讯作者）来自吉林大学电子科学与工程学院，集成光电子学国家重点联合实验室。他们的研究发表在2024年3月的《发光学报》(Chinese Journal of Luminescence)上。
该研究的主要领域是半导体材料和日盲紫外探测器(solar-blind UV photodetectors, PDS)的制备与性能测试。日盲紫外探测器可以有效探测200~280 nm范围内的电磁波，在火灾探测、紫外预警、深空探测等方面具有重要作用。氧化镓(Ga2O3)作为一种宽禁带半导体材料，因其约4.2~5.1 eV的禁带宽度对应于243~295 nm的日盲紫外波段，并且具备良好的化学稳定性、热稳定性以及易于大面积制备等优点，成为制备日盲紫外探测器的理想选择。然而，由于难以制备稳定的p型Ga2O3材料，研究人员通常利用异质结(heterojunction)来克服这一问题。本研究旨在通过金属有机化学气相沉积(MOCVD)工艺在p-GaAs衬底上外延Ga2O3薄膜并制备n-Ga2O3/p-GaAs异质结日盲紫外探测器，以探索高性能日盲紫外探测器的新途径。
研究工作流程包括两个主要部分：样品制备和样品表征。首先，采用MOCVD工艺在2英寸p-GaAs(100)衬底上外延Ga2O3薄膜。p-GaAs衬底的空穴浓度约为5×10^18 cm^-3，厚度为430 µm。在外延之前，用丙酮、乙醇和去离子水依次对衬底超声清洗5分钟，然后将衬底用氮气吹干并放置在MOCVD反应腔中。反应源为三乙基镓(TEGA)和高纯氧气，硅烷(SiH4)作为n型掺杂剂，高纯氩气作为载气。在外延过程中，反应腔内的温度保持在530℃，压强保持在4 kPa，氧气流速为400 ml/min，TEGA载气流速为40 ml/min。外延过程分为两步：首先外延非故意掺杂(UID)Ga2O3薄膜作为日盲紫外光的吸收层，其电子浓度约为1.2×10^17 cm^-3，厚度约为180 nm；然后将SiH4载气的流量设定为10 ml/min，外延n-Ga2O3薄膜作为欧姆接触层，其电子浓度约为4×10^18 cm^-3，厚度约为15 nm。薄膜外延结束后，继续在反应腔内原位退火30分钟，退火温度为530℃，以降低Ga2O3薄膜中的缺陷密度，提高薄膜质量。降温后取出样品进行电极制备，采用电子束蒸发工艺在Ga2O3薄膜表面沉积直径为0.8 mm的Ti/Au电极阵列，并在p-GaAs背面沉积Au电极，厚度为300 nm，随后在氮气氛围内快速热退火(RTA)1分钟以形成良好的欧姆接触，最后通过激光切割实现器件分离。
样品表征环节使用多种方法对Ga2O3薄膜及探测器进行了详细测试。X射线衍射仪(XRD)用于测定Ga2O3薄膜的晶体质量，场发射扫描电子显微镜(FESEM)研究样品表面形貌和薄膜厚度，原子力显微镜(AFM)测量样品表面粗糙度。器件测试则使用探针台、源表(Keithley 2612B)、150W氙灯、岛津UV1700紫外-可见分光光度计、3535 UV LED光源和光功率计(Thorlabs PM100D，S120VC)。所有测试均在室温下进行。
研究结果表明，Ga2O3薄膜呈单一晶向，薄膜表面平整且为Volmer-Weber模式外延。截面照片显示薄膜厚度约为195 nm且均匀分布，XRD结果显示薄膜在2θ=30.09°处有单一衍射峰，对应其(400)衍射面，表明薄膜取向单一且为β-Ga2O3。AFM照片显示薄膜表面非常平整，粗糙度仅为1.31 nm。这些测试结果表明，MOCVD制备的Ga2O3薄膜具有较高的晶体质量。器件测试结果显示，n-Ga2O3/p-GaAs异质结探测器具有明显的整流特性。在5 V反向偏压和紫外光(254 nm)照射下，器件实现了超过3.0×10^4的光暗电流比、7.0 A/W的响应度(responsivity)、3412%的外量子效率(EQE)和4.6×10^13 Jones的探测率(detectivity)。此外，通过TCAD软件仿真得到了器件内的电场分布和能带结构，分析了器件的工作原理。
本研究的结论在于，通过MOCVD工艺成功在p-GaAs上异质外延了高质量的Ga2O3薄膜，并制备了n-Ga2O3/p-GaAs异质结日盲紫外探测器。该探测器在5 V反向偏压下表现出优异的性能，包括高光暗电流比、高响应度、高外量子效率和高探测率。这为高性能Ga2O3异质结日盲紫外探测器的制备提供了一条新途径。
本研究的亮点包括：首次通过MOCVD工艺在p-GaAs衬底上成功外延了高质量的Ga2O3薄膜；制备的n-Ga2O3/p-GaAs异质结日盲紫外探测器具有优异的性能参数，特别是高达7.0 A/W的响应度和4.6×10^13 Jones的探测率；通过TCAD软件仿真验证了器件的工作机理，为后续研究提供了理论支持。
此外，研究还强调了n-Ga2O3/p-GaAs异质结界面处内建电场对光生电子空穴对的快速分离作用，这是器件性能优异的重要原因。这一发现不仅有助于深入理解Ga2O3基日盲紫外探测器的工作原理，也为未来高性能探测器的设计提供了重要参考。