《Materials Science in Semiconductor Processing》：Challenges and opportunities in Ga
2O
3 solar-blind photodetectors: From material engineering to device realization
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Ga?O?因其寬禁帶（4.7-4.9 eV）、高熱穩定性及優異輻射硬化特性，成為太陽能盲區（λ<280 nm）紫外探測器的理想材料，可避免光學濾光片損耗并實現高靈敏度檢測。本文系統綜述了Ga?O?基器件的制備技術、結構創新及性能優化，涵蓋MSM、Schottky、異質結及APD等架構，重點分析材料晶型與缺陷控制對響應度（R）、 detectivity（D?）及響應速度的影響，并探討摻雜調控、異質結設計等關鍵技術挑戰。
作者：邵帥、呂全江、任瑞仁、熊偉、王梓、尹胤、劉俊林
單位：江蘇大學材料科學與工程學院，鎮江，212013，中國
摘要
紫外線（UV）光電探測器在民用和軍事應用中受到了廣泛關注，因為它們在環境監測、火焰檢測、導彈預警和太空通信中發揮著關鍵作用。在各種對紫外線敏感的材料中，Ga2O3因其超寬的帶隙（4.7-4.9 eV）、優異的熱穩定性和化學穩定性、強的輻射硬度、成本效益以及對可見光的高透明度而成為非常有前景的候選材料。其帶隙恰好對應于太陽盲區（λ < 280 nm），使得無需光學濾光片即可實現太陽盲光電檢測。本文綜述了基于Ga2O3的太陽盲UV光電探測器的最新進展，重點探討了材料內在性質與器件性能之間的關系。首先概述了具有不同晶體取向的Ga2O3的各種生長技術，并討論了這些技術對晶體質量和缺陷控制的影響。隨后，全面回顧了包括金屬-半導體-金屬器件、肖特基光電二極管、異質結和光電晶體管在內的Ga2O3光電探測器架構的最新進展，并對其工作原理和性能指標進行了比較分析。此外，還強調了基于Ga2O3的雪崩光電探測器的發展，這是實現實用、高增益太陽盲光電檢測的關鍵步驟。最后，總結了當前面臨的挑戰和未來發展方向，重點關注摻雜控制、缺陷工程和異質結構設計，以優化器件性能并推動大規模應用。
引言
紫外線（UV）光電探測器已成為先進光電子學研究中的一個關鍵領域，因為它們在農業、工業、環境監測以及戰略軍事行動等多個領域具有廣泛的應用前景[[1], [2], [3], [4], [5]]。紫外線光譜范圍覆蓋10至400 nm的波長，通常被劃分為四個主要區域：近紫外線（NUV：300-400 nm）、中紫外線（MUV：200-300 nm）、遠紫外線（FUV：122-200 nm）和極紫外線（EUV：10-122 nm）。從應用角度來看，這些區域常被重新分類為長波UVA（315-400 nm）、中波UVB（280-315 nm）、短波UVC（200-280 nm）和真空紫外線（VUV：低于200 nm）帶，如圖1所示[6,7]。特別值得關注的是所謂的“太陽盲窗口”，通常定義在200-280 nm范圍內。這一光譜區間由于大氣成分（如分子氧主要吸收100-200 nm范圍內的光，臭氧主要吸收200-280 nm范圍內的光）的有效吸收，導致地球表面在該波段的太陽輻射幾乎可以忽略不計[8]。這一窗口中缺乏背景太陽輻射，有利于實現高對比度的光電檢測，從而提高信噪比、增強檢測靈敏度并減少誤報的發生[9,10]。這些特性使得太陽盲光電檢測在安全紫外線通信系統[11,12]、導彈尾焰的早期檢測[13,14]、火焰和燃燒監測[15,16]以及軍事、航空航天和精準農業領域的復雜傳感需求[17], [18], [19]中具有關鍵作用。因此，太陽盲UV光電檢測在全球追求先進光電子技術以用于國防和安全目的方面具有重要意義[20]。
傳統的由窄帶隙半導體（如Si、GaAs和InGaAs）制成的UV光電探測器在寬光譜范圍內都具有固有靈敏度，包括可見光和近紅外波長。因此，在太陽盲檢測應用中通常需要使用光學帶通濾光片來抑制不需要的波長。然而，使用這些濾光片會帶來顯著挑戰：不完美的過濾可能導致可見光的透過，從而降低器件性能；此外，這些濾光片的制造和集成會增加系統的復雜性和成本[21,22]。此外，許多這些半導體材料的熱穩定性和化學穩定性有限，限制了它們在惡劣或腐蝕性環境中的應用。
為了解決這些挑戰，帶隙大約在3.1至7 eV之間的寬帶隙半導體已成為實現太陽盲UV光電檢測的關鍵材料。這些半導體通過其電子特性提供了光譜選擇性，從而消除了對外部光學濾光片的需求，同時在惡劣環境條件下也表現出更好的耐用性[23]。在許多寬帶隙半導體材料中，包括AlGaN[24]、金剛石[25]、MgZnO[26,27]和Ga2O3，Ga2O3因其超寬的帶隙（高達約4.9 eV）、優異的化學穩定性和約8 MV/cm的擊穿場強而脫穎而出，這些特性特別適用于高壓電子應用。此外，Ga2O3可以通過熔融和氣相技術實現可擴展且成本效益高的單晶生長，其薄膜可以沉積在包括藍寶石、硅和熔融石英在內的多種基板上，無論是單晶形式還是非晶形式[28]。因此，Ga2O3的多功能特性顯著提高了器件架構的設計靈活性，使其成為開發下一代UV光電探測器的非常有前景的材料[29]。基于Ga2O3的太陽盲UV光電探測器的最新進展得益于材料科學和器件工程的進步。關鍵性能指標（包括響應時間R、D?等）與材料的內在性質（如結晶度、缺陷分布和表面帶彎曲現象）密切相關[30]。同時，已經開發了在各種Ga2O3薄膜上制造的器件配置（例如MSM結構和肖特基勢壘光電探測器），以優化性能、制造復雜性和集成潛力之間的平衡[[31], [32], [33]]。
本文全面概述了基于Ga2O3的太陽盲UV光電檢測技術的最新進展，重點探討了材料內在性質如何影響器件性能的機制。對不同器件架構（包括MSM光電探測器、肖特基光電探測器、異質結、光電晶體管等）中的最新發展進行了比較分析。系統地介紹了這些器件的工作原理，并特別強調了作為商業應用候選者的Ga2O3雪崩光電探測器。文章還深入探討了新興挑戰和未來前景，如摻雜控制和異質結構工程策略。通過全面評估當前進展，本文旨在推動基于Ga2O3的技術發展，以實現高性能、可擴展且特定應用的太陽盲UV光電探測器系統。
光電探測器是一種將光能轉換為電信號的設備。評估其性能需要考慮各種參數，如暗電流、光電流、光電流與暗電流的比率、響應度、檢測靈敏度、噪聲等效功率、響應時間和外部量子效率。
暗電流（Idark）表示在沒有入射光的情況下通過光電探測器的泄漏電流。
Ga2O3是一種屬于III族的二氧化物，由于具有超寬帶隙半導體特性以及多樣的多態相和卓越的光電性能，在過去幾十年中一直是研究的重點。自20世紀中葉對其多態系統的全面闡明以來，已經確定了Ga2O3的六種晶體相：α、β、γ、ε和κ。每種相都表現出獨特的結構對稱性和熱力學特性。
在現有的文獻中記錄的SBPDs中，已經開發了多種器件架構，包括MSM光電探測器、肖特基光電探測器、p-n（p-i-n）結光電探測器、雪崩光電探測器（APDs）和光電晶體管，如圖6所示。本節旨在探討這些器件配置的工作原理及其優缺點。
MSM器件具有相對簡單的架構，便于集成。通常在器件中加入肖特基勢壘可以降低暗電流水平。因此，MSM光電探測器表現出優異的性能特性，結合簡單的結構設計和可制造性，使其非常適合用于光電子電路中的單片集成。
Ga2O3憑借其超寬的帶隙和高擊穿電壓，對DUV輻射具有固有靈敏度，而對可見光和紅外波長不敏感。這一獨特特性使其成為太陽盲光電檢測的理想材料。盡管近年來取得了顯著進展，但仍有一些關鍵障礙阻礙了基于Ga2O3的SBPDs的商業化。其中一個主要挑戰是低熱穩定性...
邵帥：撰寫 – 審稿與編輯、撰寫 – 原稿、方法論、研究、數據分析、概念化。
呂全江：撰寫 – 審稿與編輯、監督、資源協調。
任瑞仁：研究。
熊偉：研究。
王梓：研究。
尹胤：研究。
劉俊林：資源協調、項目管理和資金獲取。
作者聲明他們沒有已知的可能會影響本綜述工作的競爭性財務利益或個人關系。
具體來說，不存在與就業、咨詢、專利、在開發或銷售的產品、資助或其他資金、酬金或非財務支持相關的利益沖突，這些可能會影響本綜述的客觀性。
所有作者均已閱讀并批準了此聲明。
本工作得到了國家自然科學基金（項目編號62374076）和江蘇省創新創業計劃（項目編號JSSCTD202146）的支持。
