摘 " " "要：采用水熱法在p-GaN襯底上生長Ga2O3納米棒陣列，構建了Ga2O3/p-GaN異質結自供電日盲紫外光探測器。首先對異質結的形貌和結構性能進行了研究，并進一步對異質結紫外光探測器的伏安特性和紫外光探測性能進行了探索。結果表明在0 V偏壓和254 nm紫外光照下，器件表現(xiàn)出明顯的自供電日盲紫外光響應，響應度為718.8 mA/W，并具有良好的穩(wěn)定性和重復性。結合異質結能帶理論對器件的自供電紫外光響應機理進行了討論。

關 "鍵 "詞：氧化鎵；異質結；自供電；日盲紫外光探測器

中圖分類號：TQ133.51 " " 文獻標識碼： A " " 文章編號： 1004-0935（2023）07-0954-04

大氣層中的臭氧層對紫外光具有吸收與散射作用，這使得太陽光中波長在200～280 nm波段的紫外光幾乎到達不了地球表面，我們將這個波段的紫外光稱為日盲紫外光。因此在大氣層內的地球表面，由于沒有太陽輻射的干擾，日盲紫外光探測器具備出色的抗干擾能力，較高的靈敏度等優(yōu)點，常被應用于短波通訊、火災預警、導彈追蹤等方面[1-4]。目前，常見的日盲紫外光探測器大多是光電探測器，它利用光電效應，將入射的光學信號轉化為電學信號，再被檢測儀器接收，這類探測器還被分為光電導型探測器和光伏型探測器[5-6]。相較于光電導型探測器，光伏型探測器中由于肖特基結或PN結的存在，光生載流子會在內建電場的作用下分離，這使得器件可以在沒有外加電源的情況下工作，這就是自供電特性。自供電光電探測器由于其靈敏度高，暗電流低，工作無需外加電源，響應快等特點，具有潛在的應用價值[7]。

Ga2O3作為一種新型寬禁帶半導體，其禁帶寬度范圍在4.4～5.3 eV，比ZnO、GaN等第三代半導體具有更大的禁帶寬度，更低的成本，更高的擊穿場強等特點[8-9]。Ga2O3通常表現(xiàn)出n型半導體的特性，其響應波段也正好覆蓋日盲紫外波段，十分適合制作日盲紫外光探測器[10-12]。本文利用水熱法在p-GaN襯底上制備Ga2O3納米棒陣列，構建Ga2O3/p-GaN異質結，進一步制備自供電日盲紫外光探測器，并對其形貌、結構和光電性能進行了討論。

1 "實驗部分

1.1 "Ga2O3/p-GaN異質結構的制備

首先，將p-GaN襯底依次用丙酮，無水乙醇、去離子水超聲清洗，烘干備用。接著采用水熱法在p-GaN襯底上生長Ga2O3納米棒陣列，試劑為硝酸鎵（阿拉丁試劑）、尿素（上海國藥），原料純度均為分析純。將清洗后的p-GaN襯底固定在聚四氟乙烯生長支架上放入反應釜中，稱量2.05 g硝酸鎵和5.83 g尿素分別溶解于20 mL去離子水中，充分攪拌使其完全溶解。將配好后的尿素溶液倒進硝酸鎵溶液中混合均勻，轉移至反應釜內。在140 ℃下反應10 h，冷卻至室溫，將樣品取出，反復用去離子水和乙醇沖洗干凈，烘干。接著將樣品放于馬弗爐中，500 ℃空氣退火2 h，取出樣品備用。

1.2 "形貌結構表征

通過場發(fā)射掃描電子顯微鏡（SEM，日立S4800）對樣品的表面形貌進行表征，利用X射線衍射儀（XRD，布魯克D8 Advance）對樣品的物相和晶體結構進行分析。

1.3 "日盲紫外光探測器的制備及光電性能測試

將上述退火后的樣品固定在不銹鋼掩膜板上，放入熱蒸發(fā)裝置中，分別在p-GaN和納米棒陣列上蒸鍍圓形金屬電極（直徑1 mm），制得紫外光探測器。接著利用自制紫外光響應測試系統(tǒng)對探測器的紫外光響應性能進行測試，該系統(tǒng)由數(shù)字源表（吉時利2400）、探針臺、254 nm紫外光源、升降臺等組成。分別對器件的伏安特性曲線（I-V）、光響應性能、響應-恢復時間及光響應的穩(wěn)定性進行了分析。

2 "結果與討論

2.1 "結構性能表征

利用掃描電鏡對樣品的表面形貌進行了表征，如圖1所示。

通過圖1 （a）可以發(fā)現(xiàn)樣品呈眾多幾乎垂直于襯底表面生長的納米棒緊密排布所組成的納米棒陣列結構。進一步進行高倍數(shù)掃描電鏡表征，如圖1 （b）所示，納米棒的截面呈菱形，平均直徑約為220 nm。

圖2為樣品的XRD譜圖，通過與標準PDF卡片對比，可以發(fā)現(xiàn)樣品的各衍射峰與α-Ga2O3的標準卡片（JCPDS NO.06-0503）一致，未發(fā)現(xiàn)其他衍射峰，表明制得的納米棒陣列為α-Ga2O3。

2.2 "光電性能表征

對Ga2O3/p-GaN異質結紫外光探測器的I-V特性進行了表征，如圖3所示。

圖3 （a）為無光照下的I-V特性曲線，可以發(fā)現(xiàn)曲線為非線性I-V特性，表現(xiàn)出明顯的整流特性，說明成功制得了由Ga2O3納米棒和p-GaN構成的PN結。如圖3 （b）所示，接著對器件在不同強度（300 μW/cm2到1150 μW/cm2）的254 nm紫外光照下低電壓范圍內的I-V特性進行了表征?？梢园l(fā)現(xiàn)，器件在254 nm的紫外光照下，表現(xiàn)出明顯的日盲紫外光響應，并且隨著紫外光強度的增加，器件的短路電流也隨之增加。在300 μW/cm2、450 μW/cm2、700 μW/cm2和1150 μW/cm2的紫外光照下，器件的短路電流分別為1.3μA、2.8μA、4.1μA、6.9μA。以上結果表明制備的Ga2O3/p-GaN異質結紫外光探測器具有良好的自供電日盲紫外光探測潛力。

如圖4所示，進一步對器件的自供電日盲紫外光探測性能進行表征。圖4 （a）為0 V偏壓和700 μW/cm2的254 nm紫外光照下的光響應曲線，可以發(fā)現(xiàn)器件表現(xiàn)出明顯的自供電日盲紫外光響應，具有較好的穩(wěn)定性和較快的響應-恢復速度，響應和恢復時間分別為0.5 s和0.6 s。光電流達到了3.9 μA，光暗電流比Iphoto/Idark為670.6，通過公式R=（Iphoto–Idark）/（S×Plight）（其中R為響應度，S是有效輻照區(qū)域，Plight是入射光強度）計算得到器件的響應度為718.8 mA/W。圖4 （b）為不同強度紫外光照下的多周期光響應曲線，可以發(fā)現(xiàn)隨著光照強度的增加，光電流也隨之增加，且多次循環(huán)響應后，依然具有較好的穩(wěn)定性和重復性。以上結果表明制備的Ga2O3/p-GaN異質結光探測器具有良好的自供電日盲紫外光響應性能。

2.3 "光響應機理

如圖5所示，Ga2O3/p-GaN異質結自供電日盲紫外光探測器的光響應機理可以通過其能帶結構來解釋。其中p-GaN和Ga2O3的禁帶寬度分別為3.38 eV和4.9 eV，Ga2O3與p-GaN構建異質結時，其導帶偏移ΔEc與價帶偏移ΔEv分別為0.74 eV和0.78 eV，界面附近形成空間電荷耗盡區(qū)，產生內建電場。當異質結被254 nm紫外光照射時，Ga2O3中會產生光生電子-空穴對，內置電場會將其迅速分離，電子向Ga2O3的導帶遷移，空穴向p-GaN的價帶遷移，形成光電流。因此，Ga2O3/p-GaN異質結可以有效的實現(xiàn)自供電日盲紫外光探測。

圖5 "Ga2O3/p-GaN異質結能帶結構圖

3 "結論

采用水熱法在p-GaN上生長α-Ga2O3納米棒陣列，制備Ga2O3/p-GaN異質結，進一步構建Ga2O3/ p-GaN異質結自供電日盲紫外光探測器。器件的I-V曲線表現(xiàn)出明顯的整流特性和良好的自供電日盲紫外光響應性能。在0 V偏壓和254 nm日盲紫外光照下，光暗電流比Iphoto /Idark達到670.6，響應和恢復時間分別為0.5 s和0.6 s，響應度為718.8 mA/W，器件表現(xiàn)出良好穩(wěn)定性和重復性。自供電日盲光響應是由于Ga2O3/p-GaN異質結中的內建電場對光生載流子的有效分離導致的。

參考文獻：

［1］王保華， 李妥妥， 鄭國憲. 日盲紫外探測系統(tǒng)研究[J]. 激光與光電子學進展， 2014， 51（2）： 022202.

［2］CHEN Y C， LU Y J， LIN C N， et al. Self-powered diamond/β-Ga2O3 photodetectors for solar-blind imaging[J]. Journal of Materials Chemistry C， 2018， 6 （21）： 5727-5732.

［3］XU J， ZHENG W， HUANG F. Gallium oxide solar-blind ultraviolet photodetectors： a review[J]. Journal of Materials Chemistry C， 2019， 7 （29）： 8753-8770.

［4］鮮勇， 賴水清. 日盲紫外探測技術的軍事應用[J]. 直升機技術， 2016 （2）： 6.

［5］ZHANG J， JIAO S， WANG D， et al. Nano tree-like branched structure with α-Ga2O3 covered by γ-Al2O3 for highly efficient detection of solar-blind ultraviolet light using self-powered photoelectrochemical method[J]. Applied Surface Science， 2021， 541： 148380.

［6］ZHANG Y， SONG W. High performance self-powered CuZnS/GaN UV photodetectors with ultrahigh on/off ratio （3×108）[J]. Journal of Materials Chemistry C， 2021， 9 （14）： 4799-4807.

［7］LI S， ZHI Y， LU C， et al. Broadband ultraviolet self-powered photodetector constructed on exfoliated β-Ga2O3/CuI core-shell microwire heterojunction with superior reliability[J]. The Journal of Physical Chemistry Letters， 2020， 12（1）： 447-453.

［8］楊杰，孫宇海漩，張金林，等.銅鎳摻雜納米氧化鋅復合材料制備及其光催化性能[J].遼寧化工，2021，50（12）：1741-1744

［9］陳星，周暢，劉可為，等.基于寬禁帶半導體氧化物微納材料的紫外探測器研究進展[J].中國光學（中英文），2022，15（05）：912-928.

［10］ABDULLAH Q N， AHMED A R， ALI A M， et al. Novel SnO2-coated β-Ga2O3 nanostructures for room temperature hydrogen gas sensor[J]. International Journal of Hydrogen Energy， 2021， 46 （9）： 7000-7010.

［11］LIU Z， LI P G， ZHI Y S， et al. Review of gallium oxide based field-effect transistors and Schottky barrier diodes[J]. Chinese Physics B， 2019， 28（1）： 017105.

［12］GUO D Y， CHEN K， WANG S L， et al. Self-powered solar-blind photodetectors based on α/β phase junction of Ga2O "[J]. Physical Review Applied， 2020， 13 （2）： 024051.

Preparation and Photoresponse of Self-powered Solar-blind

Photodetector Based on Ga2O3/p-GaN Heterojunction

SUN Ya-di， WANG Chao， FU Qiu-ming

（Hubei Key Laboratory of Plasma Chenical and Advanced Materials，

School of Material Science and Engineering， Wuhan Institute of Technology， Wuhan Hubei 430205， China）

Abstract： "Ga2O3 nanorod arrays were grown on p-GaN by hydrothermal method， and self-powered Ga2O3/p-GaN heterojunction solar-blind ultraviolet （UV） photodetector was further prepared. The surface morphology and structure properties of the heterostructure were studied， and the I-U characteristic and UV photoresponse were also investigated. The results showed that the photodetector showed obvious self-powered solar-blind UV photoresponse under 0 V bias and 254 nm UV illumination. The responsivity of the photodetector was estimated to be 718.8 mA·W-1， and it also showed good stability and repeatability. The photoresponse mechanism was discussed from energy band structure and carrier transport.

Key words： "Ga2O3; Heterojunction; Self-powered; Solar-blind UV photodetector