紫外光探测器是一种将紫外线光信号转换为电信号的光电子器件，广泛应用于光纤通信、图像传感器、臭氧传感、辐射泄漏检测、导弹探测、天文研究和遥控器等^[1-3]。

GaN因其优异的材料性质，如宽禁带（3.4 eV）、高热导率、高饱和漂移速度等，成为制备新一代光电子器件的重要材料。GaN基紫外光探测器也因其在抗干扰、耐恶劣环境以及高灵敏度等方面具有独特的优势，受到了广泛关注。

为提升GaN紫外光探测器的性能，降低缺陷密度并缓解晶格失配引起的应力，研究人员已成功制备出纳米柱^[4]、纳米花^[5]和多孔结构^[6]的GaN。其中，多孔GaN由于其比表面积大、电子迁移率高、集光强、易于制备、成本低等优点，在光电器件中显示出巨大的潜力。在光照下，孔隙侧壁的高密度表面态可以捕获载流子，从而延长载流子的寿命。因此，多孔结构的探测器可以获得较大的响应度^[7]。

紫外光探测器需具备高灵敏度、高信噪比、优异的光谱选择性、快速响应和高稳定性的特点。多孔结构的GaN紫外光探测器具有出色的探测性能，但其禁带宽度有限，无法实现日盲波段的探测。目前，已有多种异质结探测器被用于解决这一问题，然而，由于晶格失配或晶体结构不匹配，这些器件往往会产生较大的暗电流。β-Ga₂O₃具有4.9 eV的禁带宽度，优异的热稳定性和化学稳定性，被认为是日盲紫外探测领域极具潜力的候选材料。此外，由于β-Ga₂O₃和GaN之间的晶格失配较小和导带偏移较低，将两者结合不仅可以有效降低暗电流，还能满足多波段探测的性能需求。

通过在多孔GaN上沉积β-Ga₂O₃层来形成金属–绝缘体–半导体结构，可以提高GaN探测器的探测灵敏度。与金属−半导体−金属型^[8]和肖特基势垒型^[9]探测器相比，异质结型^[10]探测器具有更低的暗电流、更快的响应速度、更高的光响应度和更高的探测率等优势。此外，该复合结构器件能有效增强对紫外光的吸收，并实现不同波段紫外光的同步探测。因此，GaN/Ga₂O₃结构在双波段紫外探测领域展现出良好的应用前景。

本文采用射频磁控溅射法在NaNO₃溶液刻蚀的多孔GaN衬底上制备一层Ga₂O₃薄膜，并在空气氛围下对其进行退火处理。退火处理生成的Ga₂O₃薄膜为β相，呈纳米颗粒状结构，具有高的比表面积以及高密度的氧空位，其中与氧空位相关的空穴陷阱态能够改善探测器内部的导电性，进而提升其光响应特性。本文研究了该紫外光探测器的光电性能，并从能带结构和载流子运输机制方面对性能进行分析。

1 实验方法 1.1 多孔GaN的制备

所使用的GaN外延片是在蓝宝石衬底上外延生长的n型GaN薄膜，其厚度约为4.5 μm。将GaN薄膜切割成尺寸为1.0 cm×0.5 cm大小，切割后的薄膜依次置于0.5 mol/L H₂SO₄、去离子水、丙酮和乙醇中分别超声清洗10 min, 然后用N₂吹干。刻蚀实验前对GaN片表面用臭氧清洗15 min以进行改性。

使用AgilentB2912A作为直流电压仪对GaN施加刻蚀电压。刻蚀电压为20 V偏压，时间为20 min，刻蚀剂为 0.3 mol/L NaNO₃溶液。电化学刻蚀过程中使用具有阴极和阳极电极的电解池，阳极为镀铟的GaN薄膜，阴极为铂片电极，并使用300 W氙灯进行全程照射。

1.2 异质结器件制备

采用由质量分数为99.9%的Ga₂O₃粉末烧结而成的高纯Ga₂O₃陶瓷作靶材，采用射频磁控溅射仪在多孔GaN样品表面溅射一层Ga₂O₃薄膜。溅射参数为：室温，压强为0.5 Pa，功率150 W，氩气流量35 sccm。将溅射好的薄膜样品在退火炉中进行退火处理。退火处理参数为：空气气氛，温度为900 ℃，升温速率为6 ℃/min，时间为30 min。最后在Zeiss Crossbeam 电子束/离子束双束电子显微镜中沉积了两个尺寸为100 μm×100 μm的Pt电极，两个电极间距为50 μm。

1.3 微观表征和光电性能测试

采用 FEI Quanta 450 FEG扫描电子显微镜（scanning electron microscope，SEM）对多孔GaN的形貌进行表征，分析多孔GaN在NaNO₃溶液中的刻蚀进程与机制。使用由Perkin Elmer 提供的Lambda 750紫外/可见/近红外光谱仪对多孔GaN样品的反射率以及异质结样品的透射率进行测试分析。使用Bruker（D8 ADVANCE）X射线衍射仪（X-ray diffraction，XRD）测试样品退火处理后的结晶取向。采用HORIBA 的微区拉曼谱仪 LabRAM HR Evolution 对刻蚀前后的GaN样品进行测试，验证NaNO₃溶液能够有效腐蚀GaN，并能释放GaN和蓝宝石衬底层之间的应力。使用SPM9500原子力显微镜（atomic force microscope，AFM）观察Ga₂O₃薄膜的表面形态。光电测试仪器为迈塔光电MStarter200光电流扫描测试显微镜，测试器件的电流−电压（简写为I-V）特性、响应时间以及响应度。

2 结果与讨论 2.1 纳米多孔GaN基底表征

图1为刻蚀后GaN表面SEM图。由图1可知，10 V电压刻蚀后样品表面缺陷处出现分散的刻蚀孔洞；增加电压至15 V时，刻蚀从初始孔洞开始往薄膜内不同方向形成了分支孔隙，这些分支孔隙的发散中心是初始表面缺陷处；继续增加电压至20 V时，表面分支孔隙密度增加，并沿着表面进行纵向深度刻蚀。实验过程中使用300 W氙灯进行照射，目的是使GaN吸收光子能量，从而将电子从价带激发到导带，在外电场的作用下，电子−空穴对在样品与液体界面处分离，使得GaN表面产生了大量空穴，从而提高刻蚀效率。

图2（a）显示了刻蚀后GaN的光学反射率曲线。由图2（a）可知，GaN孔隙率随刻蚀电压的升高而增加，刻蚀后GaN表面形成的纳米多孔结构有效降低了反射率，从而显著提高了GaN的光捕获能力。图2（b）为刻蚀后GaN的拉曼光谱图。由图2（b）可知，刻蚀后多孔GaN的拉曼强度比未刻蚀（图2b上电压为0所对应的曲线 ）样品的有所增强。随着刻蚀电压的增加，E₂（high）声子模式的强度增加。这是由于多次散射引起有效散射体积增加所致。不同蚀刻电压下E₂峰的强度变化趋势表明不同的孔隙深度对E₂峰强度有一定的影响。其中，E₂峰半峰宽的变化非常小，表明多孔结构GaN的晶体质量较好^[11]。另外，由图2（b）可知，在多孔GaN峰位出现了TO峰。这表明多孔样品薄膜中的晶体杂乱，使其光学特性发生了变化。多孔结构使得侧壁散射增加，最终可能改变光的偏振状态^[12]。

结合表面形貌以及光谱图分析可知，在20 V电压下刻蚀的GaN孔隙率较高且光捕获能力强，因此选择20 V刻蚀样品作为异质结器件的基底材料。

2.2 Ga₂O₃薄膜的表征

在GaN表面沉积一层Ga₂O₃薄膜后进行900 ℃退火处理。图3（a）为退火处理后样品表面SEM图。退火处理后薄膜表面出现裂纹，是因为Ga₂O₃薄膜内部应力释放，导致薄膜表面开裂剥离，且温度越高，释放的应力越大，开裂剥离程度越明显。这是由于GaN与Ga₂O₃薄膜的热膨胀系数相差较大，增大了晶格失配率，同时由于在高温环境下产生较剧烈的晶格振动，两者的共同作用导致了异质结之间的键能遭到破坏，键合力被挣脱，从而造成了薄膜的开裂剥离。

图3（b）为900 ℃退火处理后GaN/Ga₂O₃的XRD谱图。由图3（b）可知，在经过高温退火处理后，Ga₂O₃由非晶态转为β相，在18.8˚、38.4˚、59.2˚出现（$ \bar 201 $）、（$ \bar 402 $）、（$ \bar 603 $）晶面的衍射峰；β-Ga₂O₃沿（$ \bar 201 $）方向具有优先生长取向，这被认为是应用于β-Ga₂O₃日盲紫外光探测器的优选方向。

为了进一步验证Ga₂O₃薄膜的晶体结构，对经不同温度退火处理的薄膜进行拉曼光谱检测，结果如图3（c）所示。经过700、800 ℃退火处理的Ga₂O₃薄膜，除出现衬底的峰外未发现其他散射峰，然而经过900 ℃退火处理后，分别在170、201、417 cm⁻¹ 处出现明显散射峰，均为β-Ga₂O₃的典型拉曼振荡模式。尤其位于201 cm⁻¹处的Ag（3）随退火处理温度升高而显著增强，这与GaO₄-GaO₆链的释放和平移有关。由XRD和拉曼光谱分析可知，随着薄膜退火处理温度升高，Ga₂O₃薄膜内出现β-Ga₂O₃微晶，同时薄膜结晶质量得到改善。

对退火处理前后薄膜透射率进行对比测试，结果如图3（d）所示。从图3（d）中可以看到，Ga₂O₃薄膜在可见和可见盲紫外波段具有良好透射率（＞85 %），并且薄膜展示了陡峭的吸收边；透射谱在400～800 nm波长范围内的干涉信号波动良好，表明薄膜表面与界面较为平整。

为了探究表层Ga₂O₃纳米薄膜的表面形态，测试了尺寸为2 μm×2 μm薄膜的AFM表面形貌，如图4所示。由AFM结果得出，其表面粗糙度为4.56 nm，薄膜生长均匀且致密；Ga₂O₃以纳米颗粒的方式结晶，颗粒大小平均分布在40～70 nm。该形貌具有的高表面积比使得样品对光的吸收有所增强。

2.3 光电响应特性

由图5（a）器件的结构示意图可知，紫光光源从顶部照射于两个Pt电极之间，有效照射面积为电极之间光电材料所覆盖的全部面积。从图5（b）显示的不同光强度下器件的I-V特性曲线可以看出，在黑暗条件下1 V偏压时，器件具有低的暗电流（4.9×10⁻¹³ A），说明制备的器件具有较高的信噪比，可以在嘈杂环境中快速检测到微弱信号，5 V偏压时光暗电流比约为10³。此外，金属在界面上接触的不均匀性会导致两电极之间产生不同的势垒高度，金属/半导体结上的内置电场将根据势垒高度不同而不同，从而产生导致自驱动行为的内部电场^[13]，表现为黑暗条件下的极低电流。在负和正偏置电压下，由于更高的光功率强度导致更多的光生载流子，因此随着光强度增加，电流逐渐增大。

为了探究该探测器的光谱响应特性，在250～450 nm波长范围内测试了器件在不同偏压下的光电流，得出的光谱响应特性如图5（c）所示。其中，光电探测器的响应度（responsivity，R）的定义如下^[14]：

$ \qquad {R=}\frac{{{I}}_{\text{photo}}-{{I}}_{\text{dark}}}{{{P}}_{\text{light}}\text{·}{S}} $

(1)

式中：I_photo为光电流；I_dark表示暗电流；P_light表示入射光功率；S为探测器有效表面积。对于光电导器件，在两个电极之间的区域产生的光生电子–空穴对都能产生光电导效应，因此取S为电极之间光电材料所覆盖的全部面积，约5×10⁻⁵ cm²。

从图5（c）中可以观察出，在15 V偏压下，器件的光响应有两个峰位，分别位于254 nm和365 nm附近，其响应波长分别对应β-Ga₂O₃（4.9 eV）和GaN（3.4 eV）的禁带宽度。当入射光波长为365 nm偏压为25 V时，该探测器的响应度为300 mA/W。随着偏压从2 V增大到25 V，该器件在254 nm波长光照下的响应度从70 mA/W提高到1140 mA/W，在365 nm波长光照下响应度从2 mA/W提高到260 mA/W，可以看出器件的光电响应度随着偏压的增大而迅速提高，这说明该探测器内部具有高的光电导增益。在10 V偏压以下，只出现单个峰值，此时耗尽层位于Ga₂O₃中，只有在Ga₂O₃薄膜中产生的光诱导载流子才能被电极收集，此时探测器表现出优异的日盲响应。随着偏压的增加，探测器显示出双峰紫外响应，这表明可以通过电压调节实现双波段紫外检测。

图5（d）显示：光电探测器对波长在250～360 nm的光非常敏感；对波长大于360 nm的光，其灵敏度降低；波长大于380 nm的光照射会导致更弱的光响应。这说明该探测器对紫外区域光进行有选择性地检测。将探测器的紫外/可见光抑制比定义为360 nm波长光照射下的响应度与450 nm波长光照射下的响应度之比，计算出该探测器的紫外/可见光抑制比约为10³，高的抑制比表明器件能够选择性地探测紫外光。该探测器对254 nm波长光的响应度高于对365 nm波长光的，这是由覆盖在GaN上的Ga₂O₃吸收光子引起的。此外Ga₂O₃的纳米颗粒表面形态起着重要作用，它提供了更大的有效表面积，从而促进了光吸收并提高了器件的性能。

对于光电探测器来说，除了响应度外其探测能力也很重要，探测率作为表征探测器探测最小光信号能力的指标，通常用符号D*表示,根据探测率计算公式^[15]：

$ \qquad D^{\text{*}}=R\cdot\sqrt{\frac{A}{{2q \cdot }I_{\text{dark}}}} $

(2)

式中：R为响应度；I_dark为暗电流；A为有效光照面积；q为1.6×10⁻¹⁹ C^[16]。计算得出，在2 V电压254 nm波长光照射下，该器件的探测率为3.95×10¹² Jones。

2.4 瞬态光响应特性

响应速度是评估探测器性能的关键因素之一，光响应上升/下降时间分别被定义为电流从峰值的10 %到90 %和从峰值的90 %到10 %的时间。图6（a）和（b）给出了器件在不同强度的周期性照射、5 V偏压下光电流产生的时间相关序列，揭示了器件的高稳定性。在254 nm（200 μW/cm²）波长光照射下，器件的过电流从5 pA的超低暗电流迅速增长至2.6 nA，当关闭紫外灯时下降至暗电流的初始状态。光响应上升和下降时间分别为0.8 s和0.3 s。其响应速度与载流子传输和载流子收集效率密切相关，由于Ga₂O₃本身存在晶界，高的缺陷密度使得薄膜载流子浓度受到限制，因此，在薄膜制备完成后又进行了退火处理。退火处理会使薄膜内部的载流子陷阱变少。光生载流子主要来源于价带和导带之间的电子跃迁，从而提高器件的响应速度。

器件在波长254 nm和365 nm（光功率密度200、400、600、800 µW/cm²）紫外光照射时，发现随着光照强度的增加，光电流也随之增加。其原因是载流子的光生效率与光强成正比。该器件在多次循环响应后，依然具有较好的稳定性和重复性。结果表明，制备的GaN/Ga₂O₃异质结探测器在双波段紫外区域均有响应。此外，器件在365 nm波长光照射下的响应速度比254 nm波长光照射下的更慢，这可能是因为存在持续的光电导效应。

3 响应机制

图7为异质结和多孔GaN的能带示意图。由图7（a）可知，当GaN和Ga₂O₃接触后，界面处由于电子的扩散运动会产生内置电场，载流子发生漂移直至两种半导体材料的费米能级被拉平，由于两种半导体材料的功函数不同，黑暗条件下，异质结构中的载流子短缺界面处产生更高的势垒，导致了超低电流。当探测器被紫外光照射时，在Ga₂O₃和GaN中会产生电子−空穴对，然后在Ga₂O₃和GaN之间的界面处被内置电场快速分离，电子向Ga₂O₃的导带迁移，空穴向GaN的价带迁移，从而形成光电流。此外，纳米多孔及纳米颗粒结构具有出色的光捕获能力，径向生长的异质结构减小了载流子的聚集，从而进一步提高了光电流。由图7（b）可解释多孔GaN对紫外光探测器的性能改善的机制。高偏压下Ga₂O₃被当作耗尽层，当光生空穴漂移至施加负偏置电压的接触点时，容易被形成在多孔GaN与金属界面处的俘获中心捕获，以产生净正电荷，这导致该位置的肖特基势垒降低。紫外线照射下肖特基势垒的降低增加了热离子电流，从而产生较大的光电流^[6]，多孔结构侧壁的反射增强了光吸收，这也导致光电流的增加和光谱响应灵敏度的增加^[5]。

4 结　论

本文研究了一种低暗电流、双波段检测的多孔GaN/β-Ga₂O₃异质结紫外光探测器。通过光电化学湿刻法制备的多孔GaN降低了内部缺陷和应力，增强了光捕获能力，而后利用磁控溅射法在多孔GaN上成功制备了β-Ga₂O₃薄膜。β-Ga₂O₃的纳米颗粒表面形态和多孔结构相结合，提供了更大的有效表面积，从而促进了光吸收并提高了器件的性能。多孔GaN/β-Ga₂O₃异质结器件在5 V偏压、254 nm波长光照射下，表现出高光暗电流比（约10³），在2 V偏压下有70 mA/W的响应度和3.95×10¹² Jones的比探测率，在25 V偏压、365 nm波长光照射下有260 mA/W的响应度。因此，多孔GaN/β-Ga₂O₃异质结器件在弱光探测以及双波段检测方向将具有广阔的应用前景。