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该研究由Xiaodong Zhang、Kang Xiang、Muyang Ye、Shuang Gao和Xiujuan Wang*共同完成，研究机构为合肥工业大学微电子学院。研究论文于2025年3月20日发表在期刊《Applied Optics》上，标题为“High-Performance Self-Powered Ultraviolet Ti3C2Tx/GaN Schottky Photodiode with an Interdigitated Electrode”。

学术背景

紫外光电探测器（UV-PDs）在现代光电信息传输和通信系统中扮演着重要角色，具有高灵敏度和快速光学响应的特性。氮化镓（GaN）及其合金因其直接宽禁带、高饱和速度和优异的热化学稳定性，成为制造UV-PDs的理想材料。然而，传统的物理气相沉积技术在制备肖特基接触电极时可能会对GaN基板造成缺陷损伤，从而影响器件性能。因此，本研究旨在开发一种高性能自供电的Ti3C2Tx/GaN肖特基紫外光电探测器，采用溶液喷涂法制备电极，以克服传统方法的缺陷。

研究流程

研究流程主要包括以下几个步骤：

1. 材料制备：

   • 使用氢氟酸（HF）溶液通过化学反应制备Ti3C2Tx。具体步骤包括将3.2 g LiF粉末加入30 mL稀释的HCl溶液中，在40°C油浴中搅拌，然后缓慢加入2 g Ti3AlC2粉末，继续搅拌48小时。随后，通过离心和超声波分散获得Ti3C2Tx溶液。

2. 器件制备：

   • 将p-GaN晶片切割成小块（10×15 mm），依次用丙酮、乙醇和去离子水清洗。然后，将制备的Ti3C2Tx溶液通过喷涂法在p-GaN基板上形成叉指状肖特基接触电极，并在另一侧涂覆InGa作为欧姆接触电极，最终得到Ti3C2Tx/p-GaN UV-PD。

3. 表征与测量：

   • 使用原子力显微镜（AFM）和扫描电子显微镜（SEM）对器件表面进行形貌分析。通过X射线衍射（XRD）和拉曼光谱（Raman）表征Ti3C2Tx薄膜的晶体结构和化学性质。使用半导体分析仪（FS-Pro）测量器件的I-V特性和时间依赖性光响应，并使用不同波长的激光二极管作为光源。

主要结果

1. 器件性能：

   • 在零偏压和弱紫外光照（48 µW/cm²）条件下，器件表现出极低的暗电流（2.818×10⁻¹⁰ A）和快速的响应速度（tr = 170 µs/tf = 210 µs）。响应度和探测率分别达到120.78 mA/W和1.272×10¹² Jones。

2. 物理表征：

   • AFM和SEM分析显示，Ti3C2Tx薄膜在GaN基板上均匀分布，表面存在明显的褶皱。XRD和拉曼光谱证实了Ti3C2Tx的成功剥离和轻微氧化。

3. 电学性能：

   • 器件在紫外区域表现出强烈的光响应，特别是在365 nm波长下。随着光强的增加，光电流在反向偏压下单调增加，表现出典型的光电二极管特性。

4. 应用验证：

   • 器件被应用于紫外点成像系统，在零偏压下成功获得了高质量的图像，验证了其在自供电模式下的紫外成像能力。

结论

本研究成功开发了一种高性能的Ti3C2Tx/GaN肖特基紫外光电探测器，采用溶液喷涂法制备电极，有效避免了传统物理气相沉积技术对GaN基板的损伤。器件在零偏压下表现出优异的性能，包括低暗电流、快速响应速度和高响应度，展示了其在紫外光学成像中的应用潜力。

研究亮点

1. 创新性方法：采用溶液喷涂法制备Ti3C2Tx肖特基电极，避免了传统物理气相沉积技术的缺陷。
2. 优异性能：器件在零偏压下表现出极低的暗电流和快速的响应速度，适用于自供电模式下的紫外探测。
3. 应用验证：器件成功应用于紫外点成像系统，展示了其在实际应用中的可行性。

其他有价值的内容

研究还详细对比了当前GaN肖特基光电探测器的性能，证明了本研究器件在响应速度、响应度和探测率方面的显著优势。此外，研究还探讨了Ti3C2Tx薄膜的轻微氧化对器件性能的积极影响，为进一步优化器件性能提供了新的思路。

本研究不仅为高性能紫外光电探测器的开发提供了新的方法，还展示了其在光电信息传输和通信系统中的潜在应用价值。