高性能ε-Ga?O?肖特基势垒太阳能盲光敏探测器，适用于单像素成像

《Applied Surface Science》：High-performance ε-Ga 2O 3 schottky barrier solar-blind photodetectors for single-pixel imaging

本研究采用金属有机化学气相沉积（MOCVD）在蓝宝石衬底上制备了Pt/ε-Ga2O3/AZO Schottky光电二极管。通过应变调控实现ε-Ga2O3薄膜的岛到薄膜转变，显著提升结晶质量与载流子传输效率。器件在自供电和偏置模式下均表现出19 A/W的高响应度、10^5量级的光谱选择比及5.29×10^11 Jones检测度，成功实现太阳盲紫外单像素成像，为低功耗紫外探测技术提供新方案。

　　

赵金|余建豪|罗江帅|李淑云|郑琪琪|秦国平|庞迪|唐艳|李洪林|叶丽娟|张洪|李万军

中国重庆市，重庆师范大学物理与电子工程学院光电功能材料重点实验室，邮编401331

摘要

太阳盲UVC光电探测器能够在杂乱场景中实现无背景成像和紧凑型传感，这要求其具备高灵敏度、强光谱选择性、低噪声等关键性能。我们报道了一种采用金属有机化学气相沉积（MOCVD）技术制备的Pt/ε-Ga₂O₃/AZO肖特基光电二极管，该二极管结合了外延控制和界面工程，实现了高效能和成像相关的应用。在生长过程中，ε-Ga₂O₃经历了从岛状结构到薄膜结构的转变，从而缓解了应力并重新排列了位错，形成了缺陷密度较低的平滑连续层，为高性能光电探测器奠定了基础。该器件在偏置和自供电模式下均具有双模工作能力，响应度分别为19 A/W和0.17 A/W，抑制比（R₂₅₄/R₃₆₅）超过10⁵和10⁴，基于噪声等效功率方法计算出的特定检测率分别为5.29×10¹¹和8.30×10⁸ Jones，且在两种模式下都能稳定工作。分析表明，Pt/ε-Ga₂O₃结处产生的强内建电场在零偏压下即可实现光生载流子的有效分离，而外加偏压则进一步增强了载流子的漂移和界面传输。成功实现了单像素成像，在偏置和自供电模式下均获得了高对比度和稳定的图像质量。这项工作提出了一种实用器件概念，将高性能单像素成像与节能的太阳盲光电检测技术相结合。

引言

单像素成像（SPI）是一种灵活且成本效益高的光学成像技术，它使用单个非空间分辨的光电探测器而不是多像素阵列来重建目标信息[1]、[2]、[3]。与传统基于阵列的成像系统相比，SPI通过强度调制扫描策略实现图像重建：灰度编码的电信号控制光源发出不同强度或频率的光，而光电探测器依次记录光电流响应[4]、[5]。这种方法具有高对比度、低噪声和结构简单等优点，特别适用于缺乏成熟高分辨率光电探测器阵列的紫外（UV）成像领域。因此，SPI在环境监测、臭氧层观测、生物医学传感等领域具有巨大应用潜力[6]、[7]。然而，传统的SPI系统仍依赖于外部电源和辅助电子设备，这限制了其在物联网（IoT）和自主传感平台等小型化和低功耗场景中的应用[8]。为了解决这些问题，自供电单像素成像（SP-SPI）作为一种有前景的策略应运而生，它将光电检测和能量收集集成在单一器件结构中，实现了无需外部偏压的成像，同时简化了系统架构并提高了环境适应性[9]、[10]。

在太阳盲紫外（UV-C，200–280 nm）区域，单像素成像由于太阳背景可以忽略不计以及紫外辐射的高光子能量，具有固有的优势，能够实现低噪声信号采集、高检测对比度和优异的环境选择性[11]、[12]。这些特性使得太阳盲紫外单像素成像成为在恶劣或光照污染环境中进行高保真光子检测的理想平台。这类成像系统的核心是太阳盲光电探测器，它决定了整体的灵敏度、响应速度和稳定性。迄今为止，宽禁带半导体如Mg_xZn_1-xO[13]、Al_xGa_1-xN[14]、Ga₂O₃[15]和金刚石[16]已被广泛用于太阳盲光电检测。然而，高Mg或Al含量往往会导致相分离和晶体退化，而金刚石由于其固定的5.5 eV带隙，限制了其检测波长在225 nm以下的应用。相比之下，Ga₂O₃作为一种极具前景的氧化物半导体，具有超宽的带隙（4.6–5.2 eV）、优异的热稳定性和化学稳定性、低成本，以及与太阳盲检测的天然兼容性[17]、[18]、[19]、[20]、[21]、[22]、[23]。在其多种多形体中，单斜晶系的β-Ga₂O₃具有热力学稳定性[17]，而最近研究的六方晶系的ε-Ga₂O₃则具有更高的晶体对称性、更弱的各向异性和更优越的电子性能，特别适用于高性能光电子应用[19]。基于Ga₂O₃的太阳盲光电探测器通常采用金属-半导体-金属（MSM）[24]、异质结[22]或肖特基势垒光电二极管（SBPD）[25]结构。其中，SBPD因其结构简单、固有的低暗电流和自供电能力而脱颖而出。金属-半导体界面处的内建电场使得无需外部偏压即可高效分离光生载流子，从而降低了能耗并提高了在复杂环境中的运行稳定性[26]。

在这里，我们报道了一种采用MOCVD技术制备的Pt/ε-Ga₂O₃/AZO肖特基势垒光电二极管，该二极管在偏置和自供电模式下均实现了高效的太阳盲紫外检测和高质量的单像素成像。外延ε-Ga₂O₃薄膜经历了由应力介导的从岛状到薄膜的转变，缓解了界面应力，重新排列了位错，并提高了晶体质量，为高性能光电检测提供了坚实的结构基础。该器件在偏置和自供电模式下均实现了高灵敏度、强光谱选择性和优异的稳定性。当应用于太阳盲单像素成像系统时，即使在没有外部偏压的情况下也能实现准确和高对比度的图像重建。这项研究为开发基于ε-Ga₂O₃的肖特基光电二极管提供了有效方法，有助于推动下一代自供电紫外成像和传感技术的发展。

设备制备

在本研究中，采用MOCVD技术在c面蓝宝石基底上异质外延生长了ε-Ga₂O₃薄膜。通过简单的阴影掩模工艺，依次使用射频（RF）磁控溅射法沉积了铂（Pt）和掺铝氧化锌（AZO）电极。溅射过程中，腔体的基础压力保持在8.0×10^-4 Pa，氩气流量为40 sccm，工作压力为2.5 Pa。Pt电极以80 W的功率溅射了3分钟。

结果与讨论

图1总结了采用MOCVD技术在蓝宝石基底上生长的外延ε-Ga₂O₃薄膜的结构、形态、光学和化学特性。X射线衍射（XRD）图1(a)显示了19.71°、39.36°、59.48°和83.60°的衍射峰，分别对应于ε-Ga₂O₃的(002)、(004)、(006)和(008)晶面，证实了其相纯度（JCPDS 01–082-3196）[27]。主要峰来自Al₂O₃的(006)晶面。

结论

总之，我们制备了一种高性能的Pt/ε-Ga₂O₃/AZO肖特基势垒光电二极管，通过MOCVD技术在偏置和自供电模式下实现了高效的太阳盲紫外光检测和单像素成像功能。ε-Ga₂O₃薄膜经历了由应力介导的从岛状到薄膜的转变，改善了晶体质量并减少了界面缺陷，为低噪声和高灵敏度的光电检测提供了可靠的结构基础。

未引用参考文献

[33], [37], [38]。

CRediT作者贡献声明

赵金：撰写——原始草稿、方法学、实验研究。余建豪：撰写——原始草稿、方法学、实验研究。罗江帅：撰写——原始草稿、方法学、实验研究。李淑云：方法学、实验研究。郑琪琪：方法学、实验研究。秦国平：方法学。庞迪：实验研究。唐艳：实验研究。李洪林：方法学。叶丽娟：撰写——审稿与编辑、方法学、实验研究、概念化。张洪：撰写——审稿与

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

作者衷心感谢以下机构的支持：国家自然科学基金（项目编号：62574029和12304102）、重庆市自然科学基金（项目编号：CSTB2023NSCQ-MSX0479）、重庆市教育委员会科技研究项目（项目编号：KJQN202300536和KJQN202400558）以及重庆师范大学基金会（项目编号：23XLB029和23XLB002）。