High-performance β-Ga2O3 solar-blind ultraviolet photodetectors epitaxially grown on (110) TiO2 substrates by metalorganic chemical vapor deposition

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作者
Yongjian Ma,Boyuan Feng,Xiaodong Zhang,Tiwei Chen,Wenbo Tang,Li Zhang,Tao He,Xin Zhou,Xing Wei,Houqiang Fu,Kun Xu,Sunan Ding,Baoshun Zhang
出处
期刊:Vacuum [Elsevier]
卷期号:191: 110402-110402 被引量:27
标识
DOI:10.1016/j.vacuum.2021.110402
摘要

High-quality (100)-oriented β-Ga 2 O 3 films were successfully grown on (110) TiO 2 substrates by metalorganic chemical vapor deposition (MOCVD) for the first time. Crystal structure, chemical composition, and surface morphology of the epitaxial β-Ga 2 O 3 films were systematically investigated by X-ray diffraction (XRD), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), scanning electron microscopy (SEM), and atomic force microscope (AFM). The epitaxial relationship between the β-Ga 2 O 3 film and the TiO 2 substrate was identified as β-Ga 2 O 3 (100)//TiO 2 (110) with β-Ga 2 O 3 [001]//TiO 2 [ 1 1 ‾ 0 ] and β-Ga 2 O 3 [010]//TiO 2 [001]. These material characterizations confirmed that the β-Ga 2 O 3 film grown at 950 °C exhibited the highest crystalline quality and the smoothest surface. Furthermore, these β-Ga 2 O 3 films were then used to fabricate solar-blind photodetectors (PDs) based on a metal-semiconductor-metal (MSM) structure. Due to the β-Ga 2 O 3 film's best material and surface morphology grown at 950 °C, the β-Ga 2 O 3 PDs showed the best performance with a large photocurrent of 85.3 μA, a responsivity of 2.56 A W −1 , and a detectivity of 5 × 10 11 Jones. This work explores a new TiO 2 substrate for the heterogeneous epitaxy of β-Ga 2 O 3 films, and opens the door for the development of β-Ga 2 O 3 photonics and electronics on cost-effective mass-producible substrates. • High quality β-Ga 2 O 3 films were epitaxially grown by MOCVD on (110) TiO 2 substrates for the first time. • The epitaxial relationships between the β-Ga 2 O 3 film and the TiO 2 substrate were determined: β-Ga 2 O 3 [001]//TiO 2 [ 1 1 ‾ 0 ] and β-Ga 2 O 3 [010]//TiO 2 [001]. • The effect of the temperature on the surface morphology of β-Ga 2 O 3 film was analyzed. • β-Ga 2 O 3 PDs with MSM structure have been fabricated and excellent optical performance were obtained.
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