光电光谱论文分享 | 具有各向异性结构的Ga2O3纳米光栅通过光子和能带工程实现高灵敏度日盲光电探测器
文章导读
具有各向异性结构的Ga2O3纳米光栅通过光子和能带工程实现高灵敏度日盲光电探测器
基于Ga2O3的日盲紫外光电探测器具有本征日盲吸收特性与抗辐射能力，但受限于表面漏电流、低效光子-载流子耦合及弱偏振敏感性。本文引入纳米光栅光子结构，通过光子与能带工程调控载流子动力学。该设计增强光子-载流子耦合并调控界面能带结构，从而提升光电导增益、抑制暗电流。纳米光栅结构通过界面导带上移有效降低暗电流，同时通过减少反射与透射增强光吸收，其固有各向异性无需外部光学元件或相位调控即可实现偏振分辨。优化后的器件实现1.8×10-14 A的超低暗电流、174.8 A・W-1 的响应度、1.7×1014 Jones的比探测率（提升1209.3%）及570 %的高偏振比，性能显著优于平面Ga2O3日盲光电探测器（SBPD）。该工作展示了一种光电子集成策略，为研制高灵敏度、低噪声且偏振响应优异的日盲光电探测器提供新路径。
研究背景
日盲紫外（200-280 nm）光电探测器在保密通信、环境监测、导弹系统等高端领域至关重要。Ga2O3因4.4-5.3 eV的超宽禁带，可实现日盲吸收，无需异质掺杂、合金化或外部光学滤波，且具备优异抗辐射性与可规模化制备兼容性，尤其适用于传统半导体难以胜任的星载紫外探测等场景。
尽管取得进展，Ga2O3基器件的实际应用仍受表面缺陷诱导的暗电流、低效光吸收、弱偏振敏感性及相关噪声制约，导致响应度与信噪比下降。低维纳米结构因高比表面积与优异光捕获能力，被广泛用于提升光电器件的光物质相互作用。纳米光栅光子晶体可增强局域光场并提升偏振敏感性，且无金属纳米颗粒的等离子体损耗与热降解问题。目前已有研究通过纳米光栅架构协同调控光子与电学特性，以提升光吸收并调制表面载流子浓度，但Ga2O3薄膜上纳米结构的精确构图仍面临技术挑战。
本文提出集成纳米光栅结构的Ga2O3日盲光电探测器，通过光子与能带工程增强光吸收、优化载流子传输特性，纳米光栅诱导的导带调制抑制漏电流，增强光捕获提升光子-载流子相互作用，从而解决响应度与暗电流的权衡问题。本工作为实现高性能、偏振敏感的Ga2O3日盲光电探测器提供了光电子协同设计的创新方案。
研究内容
通过光电子协同优化设计的Ga2O3纳米光栅日盲光电探测器结构如图1a所示。利用工艺计算机辅助设计（TCAD）模拟平面Ga2O3薄膜与Ga2O3纳米光栅的能带图（图1b），结果显示：与平面Ga2O3薄膜相比，纳米光栅结构的导带向上偏移，而费米能级保持不变。图1b插图量化了金属-纳米光栅界面及平面Ga2O3薄膜表面沿x轴的横向电子密度分布，并给出金属-纳米光栅界面沿z轴的分布，表明纳米光栅表面与侧壁的电子密度较平面结构显著降低。
采用时域有限差分（FDTD）法模拟纳米光栅结构的光学行为。如图1c所示，与平面Ga2O3薄膜相比，纳米光栅结构的表面光生载流子产生率显著提升两个数量级。为分析其光学机制，模拟了200-270 nm深紫外波段的反射率（R）与透射率（T）光谱，并根据A=1-R-T计算吸收率（A）。图1d对比分析显示，与原始平面薄膜相比，纳米光栅结构的反射率与透射率均显著降低。反射率降低源于纳米光栅架构中强光散射产生的多次内反射；透射率抑制表明入射光被捕获并转化为光生载流子，而非通过衬底逃逸。这些结果表明，纳米光栅结构有效减少光学反射与透射，从而增强Ga2O3纳米结构中的光吸收。
作者进一步研究平面Ga2O3薄膜与纳米光栅结构的偏振依赖吸收特性（图1e,f），结果显示纳米光栅结构具有显著的偏振敏感性，而平面薄膜在不同偏振方向下的吸收变化可忽略，偏振依赖性差。纳米光栅结构的强偏振敏感性源于其周期性几何结构诱导的各向异性光学响应，其固有各向异性无需外部光学元件或相位调控即可实现有效偏振分辨。这些效应显著增强光物质相互作用，进一步提升偏振敏感Ga2O3基日盲光电探测器的整体光电性能。
图1：a）Ga2O3纳米光栅光电探测器的结构示意图。b）模拟能带结构图，插图为提取的横向电子分布。c）光生载流子产生率。d）反射率、透射率与吸收率。e、f）Ga2O3薄膜与Ga2O3纳米光栅的吸收率-偏振角关系图。
基于上述增强的光子与电学特性，Ga2O3纳米光栅制备过程首先通过金属有机化学气相沉积（MOCVD）在600 ℃下于c面蓝宝石衬底上外延生长Ga2O3薄膜。图2a的X射线衍射分析证实其晶体质量，在18.9°、38.4°与 59.2°处出现尖锐的单晶衍射峰，分别对应β-Ga2O3的（01）、（02）与（03）晶面。图2b中（01）衍射峰的摇摆曲线测量显示，c面蓝宝石上生长的薄膜半高宽（FWHM）仅为0.78°，证明其优异晶体质量。采用高分辨率透射电子显微镜进一步研究微观结构特征（图2c），观察到的晶格条纹间距为0.46 nm，与β-Ga2O3（01）晶面的面间距一致。图2d展示β-Ga2O3（01）晶面的原子排列，表面Ga与O原子的分布与HRTEM图像中观察到的原子结构一致。图 2e、f 的高分辨率图像分别从平面视角凸显周期依赖的形貌均匀性，从截面视角展示120 nm的清晰沟槽深度。这些分析证实所制Ga2O3纳米光栅的结构均匀性与周期性，表明其在先进光子应用中的潜力。
图2：a）β-Ga2O3薄膜的XRD图谱。b）（01）衍射峰的摇摆曲线。c）β-Ga2O3薄膜的 HRTEM 图像。d）β-Ga2O3（01）晶面的原子排列。e）Ga2O3纳米光栅的平面SEM图像。f）Ga2O3纳米光栅的截面SEM图像。g、h）Ga2O3薄膜与Ga2O3纳米光栅的紫外吸收光谱。
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为验证纳米光栅结构对Ga2O3薄膜吸收特性的影响，作者测试了220-400 nm波段下有无纳米光栅的Ga2O3薄膜宽带吸收光谱（图2g,h）。结果显示，纳米光栅结构有效提升Ga2O3薄膜的吸收率。纳米光栅结构增强的光物质相互作用与FDTD模拟趋势一致，通过同步提升光子吸收与促进高效载流子传输，纳米光栅架构为高性能光电探测提供巨大潜力。
利用半导体表征系统，在254 nm紫外光照下测量纳米光栅器件的暗电流与光电流，探究其光电性能。图3a、b展示原始器件（Pristine）与纳米光栅器件（NG-P300）在暗态与10 μW・cm-2 光照下、-2 V至2 V偏压范围内的电流-电压（I-V）特性。为阐明结构参数对器件性能的影响，作者提取并总结2 V偏压下暗电流与光电流的关键差异（图3c）。原始Ga2O3薄膜的暗电流为1.3×10-12 A，显著高于集成纳米光栅的器件。纳米栅结构引入后，PDCR值最初上升，NG-P200器件达到5.9×106 的峰值，随后在较长时间内略有下降。所有采用纳米栅结构的器件PDCR值均超过4.6×104 ，明显优于原始器件。图3d显示，电子从Ga2O3进入Ti无势垒阻碍，但从Ti进入Ga2O3需克服较小势垒。如图3e所示，与传统 Ti /平面Ga2O3界面相比，载流子传输限制与界面能带调制的协同作用显著抑制暗电流，突显纳米光栅在降低Ga2O3光电探测器暗电流中的关键作用。
图 3：a）原始器件（Pristine）与 b）NG-P300 器件的I-V特性。c）不同周期光电探测器的提取暗电流（Idark）、光电流（Iphoto）及计算的光暗电流比（PDCR）。d、e）Ti/Ga2O3界面与 Ti/Ga2O3纳米光栅界面的能带图。
作者进一步从响应度（R）与比探测率（D*）角度分析器件性能，计算公式如下：
其中，Iphoto为光照下电流，Idark为暗电流，Pphoto为入射光功率密度，S为有效光照面积，e为基本电荷。
图4a显示，NG-P300器件的响应度达174.8 A・W-1 、比探测率达1.7×1014 Jones，优于原始器件的112.3 A・W-1 与1.3×1013 Jones。采用高精度光电流扫描测试显微镜，在2 V偏压、1000 μW・cm-2 入射功率密度下，利用氙灯在200-400 nm波长范围内测量不同纳米光栅周期器件的光电响应特性。图4b展示不同波长下的响应度，插图为对应光电流。响应度在235 nm处达峰值，275 nm处急剧下降，证实器件具有强日盲紫外敏感性。图4c清晰呈现光电探测器的比探测率，峰值随纳米光栅周期增大而降低。纳米光栅结构显著提升比探测率，且其值远高于原始器件，性能更优。这种提升源于纳米光栅对暗电流的有效抑制与光子-载流子耦合的改善。
图 4：a）不同周期光电探测器的响应度与比探测率。b）200-400 nm波长下光电探测器的响应度。c）200-400 nm波长下光电探测器的比探测率。d）原始器件（Pristine）与NG-P300器件的上升时间τd与下降时间τr拟合结果。e）成像测量系统示意图及255 nm光照下“GNPI”字母的成像图案。
图4及图5所涉及的变波长响应度测试，响应速度测试，成像测试，偏振光电流测试，变偏振I-t测试等均通过南京迈塔光电科技有限公司开发的 “ MStarter 200 光电流扫描测试显微镜 ” 完成。
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图4d量化了光电探测器的响应行为，原始器件与NG-P300器件的τr/τd分别为0.61/0.68 ms与0.52/0.62 ms。响应速度提升主要源于光子-载流子耦合增强加速电荷提取。凭借优异的响应度、高比探测率与快速响应动力学，集成纳米光栅结构的光电探测器在先进成像应用中具有巨大潜力。
为进一步评估其实际应用价值，利用这些纳米结构器件搭建成像测量系统。图4e展示系统成像过程示意图：以255 nm为均匀照明光源，在二维移动平台（沿横向x轴与纵向y轴空间调制）上放置带有“GNPI”（Ga2O3纳米光栅光电探测器成像）字母的数字掩模，构建成像图案。光通过掩模孔照射到纳米光栅结构光电探测器上，产生空间分辨光电流，再通过算法重建为实时光电流图像。该实验验证充分证明纳米光栅结构光电探测器在实际成像应用中的有效性，兼具优异光电探测性能与可靠成像稳定性。
图 5：a）偏振敏感器件的结构示意图。b、c）偏振光下的时间分辨光电流响应。d、e）器件的光电流-偏振角关系图。f）不同Ga2O3形貌的偏振光电探测器偏振比（PR）对比。
Ga2O3纳米光栅结构结合固有各向异性与高响应度日盲特性，实现偏振敏感探测，为日盲紫外偏振光电探测提供可行方案。偏振敏感器件的结构示意图如图5a所示。为评估器件的偏振敏感响应，在0°-360°偏振角范围内，用235 nm偏振光（600 μW・cm-2）照射原始Ga2O3薄膜与集成纳米光栅的器件，测量相应的时间分辨光电流（图5b、c）。两种器件均在0°偏振时表现出光电流最大值（Imax），90°偏振时表现出最小值（Imin），但纳米光栅器件的角度敏感性显著高于原始器件，原始Ga2O3光电探测器的偏振比（PR，Imax/Imin）仅为140 %，而纳米光栅器件的偏振比达570 %，表明纳米光栅显著增强各向异性。图5d、e 为不同偏振角下光电流响应的极坐标图，两种器件的拟合曲线均呈明显“葫芦形”，且纳米光栅器件的各向异性显著增强。图5f对比了不同器件形貌光电探测器的偏振比，可见Ga2O3纳米光栅光电探测器的偏振比显著优于多数已报道的Ga2O3基器件，凸显其优异的偏振敏感性能。
原文链接
Anisotropic Ga2O3 Nanograting with Photonic and Band Engineering Enables High-Sensitivity Solar-Blind Photodetectors
https://doi.org/10.1002/adom.202502309
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