厦门大学杨伟锋教授团队---通过调节β-Ga₂O₃微片中的氧空位实现高响应度日盲光电探测器
由厦门大学杨伟锋教授团队在学术期刊 IEEE Sensors Journal 发布了一篇名为 Modulating Oxygen Vacancies in β-Ga2O3 Microflake for High-responsivity Solar-blind Photodetectors（通过调节 β-Ga2O3 微片中的氧空位实现高响应度日盲光电探测器）的文章。
1. 项目支持
本研究得到国家自然科学基金（项目编号：62171396）和深圳市科技计划（项目编号：JCYJ20240813145617023）的资助。
2. 背景
β-氧化镓（β-Ga2O3）是制造日盲紫外光电探测器的理想材料。在实际应用中，氧空位对于调控 β-Ga2O3 光电器件性能起到十分关键的作用。一方面其作为施主能级，提供额外的电子，使得材料导电性增加；另一方面作为陷阱可以俘获光生空穴，来延长电子的平均寿命，从而产生光电导增益，带来高响应度，但与此同时也会带来持续光电导效应，使得器件响应时间变慢。传统调控氧空位的方法，比如高温氧气氛围退火，在钝化氧空位的同时也会使得器件响应度下降，同时温度带来的热预算太高；而等离子体处理或 UV 臭氧处理对于氧空位的调控通常是不可控的。因此，开发一种能够便捷且能精确调控氧空位浓度的方法，对于提升 Ga2O3 探测器的综合性能至关重要。厦门大学的研究团队通过自主搭建的设备，开发了能够精确调控气体流量、退火温度、功率以及处理时间等多参数可调的方法。该方法可用于 Ga2O3 退火条件地精准调控以及和材料生长设备进行联动以生长高质量的 Ga2O3 薄膜。在这里，作者首先研究了氧气退火温度对于 Ga2O3 光电探测器性能的影响，为调控氧空位浓度实现高性能的 β-Ga2O3 光电探测器提供了一种新的思路。
3. 主要内容
氧空位在调节基于微纳结构氧化物半导体的光电子器件性能方面至关重要，这主要归因于此类结构较大的表面积与体积比。在本研究中，研究团队通过氧退火调控 β-Ga2O3 微片中的氧空位浓度，从而显著提升了金属-半导体-金属结构光电探测器的响应度。值得注意的是，经 400°C 退火的光电探测器在 25 V 电压下于 247 nm 波长处展现出 96.40 A/W 的峰值响应度，且 -3dB 截止波长为 267 nm。这一卓越性能超越了大多数已报道的金属-半导体-金属结构 β-Ga2O3 微纳结构光电探测器的性能。X 射线光电子能谱与光致发光光谱揭示，退火过程导致 β-Ga2O3 表面氧空位增加，表明响应度提升及增益增强归因于紫外光照下更多光电离空穴被捕获于金属/β-Ga2O3 界面，从而降低肖特基势垒高度。这一结论也通过 Kelvin 探针力显微镜测得的金属与 β-Ga2O3 之间的接触电位差增大得到验证，这表明退火后 Ga2O3 的费米能级向上偏移，光生电子的 deionization 势垒增加。通过深能级载流子捕获机制解释显著增强的光敏增益的模型，也因同时观察到的更长光电流衰减时间而得到验证。该研究提供了一种易于实现的方法，通过调节氧空位浓度来改善 β-Ga2O3 日盲光电探测器的光响应。
4. 结论
研究团队通过氧气后退火对基于机械剥离的 β-Ga2O3 微片制备的 MSM 结构 SBPDs 性能的影响进行了研究。在升高的温度下进行氧气退火会导致光电流和暗电流增加，最终显著提升响应度和光响应增益。相应地，400 ℃ 退火样品展现出良好的光响应性能——响应度（R）为 96.40 A/W， 增益为 760.58，D* 值高达 6.01×1013 Jones，以及 4.84×104 % 的 EQE，显著超越了基于 Ga2O3 微米和纳米材料的绝大多数 MSM 结构光探测器。XPS 分析表明，高温退火会诱导氧原子从接触面下方扩散，导致该界面处氧空位浓度显著增加。这些界面态捕获光电离空穴，使肖特基势垒高度在光照下降低。此外，氧空位不仅作为捕获中心，其形成过程中还会产生额外电子。该机制在暗态和光照条件下均提升了电流传输效率，显著改善了响应度和增益。这些发现为调控氧空位提供了新思路，展现出开发高性能 Ga2O3 基 SBPDs 的巨大潜力。
图1. (a) 机械剥离 β-Ga2O3 SBPDs 的制备工艺示意图及氧气退火工艺流程。 (b) 制备的 β-Ga2O3 SBPDs 与 Ni/Au 接触的 SEM 图像。
图2. 机械剥离的 β-Ga2O3 表面导电薄膜（SBPDs）在不同后退火温度下的半对数电流-电压（I-V）特性：（a）在黑暗条件下，（b）在 254 nm、1.2 mW/cm2 的照射下；（c）在 25 V 偏压、40 μW/cm2 条件下的线性光谱响应，（d）在相同条件下的归一化光谱响应。
DOI：
doi.org/10.1109/JSEN.2025.3572913
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