松山湖材料实验室梅增霞团队：悬键钝化在提高非晶Ga₂O₃日盲紫外探测性能中的重要作用

松山湖材料实验室研究团队在学术期刊 Chinese Physics B 发布了一篇名为 Unraveling the role of dangling bonds passivation in amorphous Ga₂O₃ for high-performance solar-blind UV detection（悬键钝化在提高非晶 Ga₂O₃ 日盲紫外探测性能中的重要作用）的文章。

1. 项目支持

本项目得到国家自然科学基金委员会（Grant Nos. 62404146、 12174275 和 62174113），广东省基础与应用基础研究基金（Grant Nos. 2023A1515110730 和 2023A1515140094），以及挪威研究理事会 INTPART 计划 （Project number 322382）资助。

2. 背景

因其能够在低温下大面积均匀沉积在各种衬底（包括柔性衬底）上，且具有良好的光学透明性和可调的电学特性，非晶氧化镓（a-Ga₂O₃）在光电子领域受到了广泛关注。非晶 Ga₂O₃ 中存在大量本征缺陷，特别是氧空位和悬挂键。这些缺陷会形成深能级陷阱态，俘获光生载流子，导致严重的持续光电导（PPC）效应，使得探测器的响应速度极其缓慢（可达数小时甚至数天），因而极大限制了其实际应用。因此，开发一种能够有效钝化这些缺陷态（特别是悬挂键）、从而抑制 PPC 效应、提升探测器性能的生长方法及后处理技术至关重要。

3. 主要内容

近年来，低成本、大面积均匀的非晶 Ga₂O₃（a-Ga₂O₃）日盲紫外（UV）探测器引起了广泛关注。氧空位（V_O）缺陷通常被认为是影响探测器性能的主要缺陷。降低 V_O 浓度通常会导致暗电流和光电流均较低（即光电增益低），这显著限制了光暗比（PDCR）这一器件参数的进一步提升。本文揭示了一种经过精细优化的原子层沉积（ALD）方法，该方法能够突破 a-Ga₂O₃ 中的制衡关系、同时实现低的暗电流和高的光电流。为了清晰展示，同时利用磁控溅射技术制备了 a-Ga₂O₃ 样品并进行对比。X 射线光电子能谱、光致发光、电子顺磁共振和傅里叶变换红外光谱等测试结果表明，相比于磁控溅射的 a-Ga₂O₃，ALD a-Ga₂O₃ 薄膜（S1）中的 V_O 浓度和悬键浓度均较低。悬键通常是非辐射复合中心，因此，减少悬挂键有利于补偿由低 V_O 浓度造成的低光电增益，因而大大提升了 PDCR 这一重要性能（~2.06 × 10⁶），比对比样品（S2）提高了两个数量级。该团队的研究首次证明了悬挂键钝化在提高 a-Ga₂O₃ 日盲紫外探测性能方面的重要作用，为同时优化悬键和 V_O 来进一步提升 a-Ga₂O₃ 紫外探测器性能提供了新见解。

图1. 不同生长温度下制备的 Ga₂O₃ (ALD) 薄膜特性。 (a) XRD θ-2θ扫描曲线，(b) 透射谱。插图显示了上述薄膜的 (αhν)² 与 hν 的关系曲线。(c) O 1s能谱。 (d)薄膜表面的AFM形貌图。

图2. S1 和 S2 的器件结构及探测性能。 (a) 器件结构示意图及(b)叉指电极在光学显微镜下的放大照片，(c) 254 nm 紫外光照射下和暗态下的 I–V 曲线对比，(d)周期性 254 nm 紫外光照射下的时间响应曲线。

DOI：

doi.org/10.1088/1674-1056/adcb24

本文转发自《亚洲氧化镓联盟》订阅号