由廈門(mén)大學(xué)楊偉鋒教授團(tuán)隊(duì)在學(xué)術(shù)期刊 IEEE Sensors Journal 發(fā)布了一篇名為 Modulating Oxygen Vacancies in β-Ga₂O₃ Microflake for High-responsivity Solar-blind Photodetectors（通過(guò)調(diào)節(jié) β-Ga₂O₃ 微片中的氧空位實(shí)現(xiàn)高響應(yīng)度日盲光電探測(cè)器）的文章。

1. 項(xiàng)目支持

本研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金（項(xiàng)目編號(hào)：62171396）和深圳市科技計(jì)劃（項(xiàng)目編號(hào)：JCYJ20240813145617023）的資助。

2. 背景

β-氧化鎵（β-Ga₂O₃）是制造日盲紫外光電探測(cè)器的理想材料。在實(shí)際應(yīng)用中，氧空位對(duì)于調(diào)控 β-Ga₂O₃ 光電器件性能起到十分關(guān)鍵的作用。一方面其作為施主能級(jí)，提供額外的電子，使得材料導(dǎo)電性增加；另一方面作為陷阱可以俘獲光生空穴，來(lái)延長(zhǎng)電子的平均壽命，從而產(chǎn)生光電導(dǎo)增益，帶來(lái)高響應(yīng)度，但與此同時(shí)也會(huì)帶來(lái)持續(xù)光電導(dǎo)效應(yīng)，使得器件響應(yīng)時(shí)間變慢。傳統(tǒng)調(diào)控氧空位的方法，比如高溫氧氣氛圍退火，在鈍化氧空位的同時(shí)也會(huì)使得器件響應(yīng)度下降，同時(shí)溫度帶來(lái)的熱預(yù)算太高；而等離子體處理或 UV 臭氧處理對(duì)于氧空位的調(diào)控通常是不可控的。因此，開(kāi)發(fā)一種能夠便捷且能精確調(diào)控氧空位濃度的方法，對(duì)于提升 Ga₂O₃ 探測(cè)器的綜合性能至關(guān)重要。廈門(mén)大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)自主搭建的設(shè)備，開(kāi)發(fā)了能夠精確調(diào)控氣體流量、退火溫度、功率以及處理時(shí)間等多參數(shù)可調(diào)的方法。該方法可用于 Ga₂O₃ 退火條件地精準(zhǔn)調(diào)控以及和材料生長(zhǎng)設(shè)備進(jìn)行聯(lián)動(dòng)以生長(zhǎng)高質(zhì)量的 Ga₂O₃ 薄膜。在這里，作者首先研究了氧氣退火溫度對(duì)于 Ga₂O₃ 光電探測(cè)器性能的影響，為調(diào)控氧空位濃度實(shí)現(xiàn)高性能的 β-Ga₂O₃ 光電探測(cè)器提供了一種新的思路。

3. 主要內(nèi)容

氧空位在調(diào)節(jié)基于微納結(jié)構(gòu)氧化物半導(dǎo)體的光電子器件性能方面至關(guān)重要，這主要?dú)w因于此類(lèi)結(jié)構(gòu)較大的表面積與體積比。在本研究中，研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)氧退火調(diào)控 β-Ga₂O₃ 微片中的氧空位濃度，從而顯著提升了金屬-半導(dǎo)體-金屬結(jié)構(gòu)光電探測(cè)器的響應(yīng)度。值得注意的是，經(jīng) 400°C 退火的光電探測(cè)器在 25 V 電壓下于 247 nm 波長(zhǎng)處展現(xiàn)出 96.40 A/W 的峰值響應(yīng)度，且 -3dB 截止波長(zhǎng)為 267 nm。這一卓越性能超越了大多數(shù)已報(bào)道的金屬-半導(dǎo)體-金屬結(jié)構(gòu) β-Ga₂O₃ 微納結(jié)構(gòu)光電探測(cè)器的性能。X 射線(xiàn)光電子能譜與光致發(fā)光光譜揭示，退火過(guò)程導(dǎo)致 β-Ga₂O₃ 表面氧空位增加，表明響應(yīng)度提升及增益增強(qiáng)歸因于紫外光照下更多光電離空穴被捕獲于金屬/β-Ga₂O₃ 界面，從而降低肖特基勢(shì)壘高度。這一結(jié)論也通過(guò) Kelvin 探針力顯微鏡測(cè)得的金屬與 β-Ga₂O₃ 之間的接觸電位差增大得到驗(yàn)證，這表明退火后 Ga₂O₃ 的費(fèi)米能級(jí)向上偏移，光生電子的 deionization 勢(shì)壘增加。通過(guò)深能級(jí)載流子捕獲機(jī)制解釋顯著增強(qiáng)的光敏增益的模型，也因同時(shí)觀(guān)察到的更長(zhǎng)光電流衰減時(shí)間而得到驗(yàn)證。該研究提供了一種易于實(shí)現(xiàn)的方法，通過(guò)調(diào)節(jié)氧空位濃度來(lái)改善 β-Ga₂O₃ 日盲光電探測(cè)器的光響應(yīng)。

4. 結(jié)論

研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)氧氣后退火對(duì)基于機(jī)械剝離的 β-Ga₂O₃ 微片制備的 MSM 結(jié)構(gòu) SBPDs 性能的影響進(jìn)行了研究。在升高的溫度下進(jìn)行氧氣退火會(huì)導(dǎo)致光電流和暗電流增加，最終顯著提升響應(yīng)度和光響應(yīng)增益。相應(yīng)地，400 ℃ 退火樣品展現(xiàn)出良好的光響應(yīng)性能——響應(yīng)度（R）為 96.40 A/W， 增益為 760.58，D* 值高達(dá) 6.01×10¹³ Jones，以及 4.84×10⁴ % 的 EQE，顯著超越了基于 Ga₂O₃ 微米和納米材料的絕大多數(shù) MSM 結(jié)構(gòu)光探測(cè)器。XPS 分析表明，高溫退火會(huì)誘導(dǎo)氧原子從接觸面下方擴(kuò)散，導(dǎo)致該界面處氧空位濃度顯著增加。這些界面態(tài)捕獲光電離空穴，使肖特基勢(shì)壘高度在光照下降低。此外，氧空位不僅作為捕獲中心，其形成過(guò)程中還會(huì)產(chǎn)生額外電子。該機(jī)制在暗態(tài)和光照條件下均提升了電流傳輸效率，顯著改善了響應(yīng)度和增益。這些發(fā)現(xiàn)為調(diào)控氧空位提供了新思路，展現(xiàn)出開(kāi)發(fā)高性能 Ga₂O₃ 基 SBPDs 的巨大潛力。

圖1. (a) 機(jī)械剝離 β-Ga₂O₃ SBPDs 的制備工藝示意圖及氧氣退火工藝流程。 (b) 制備的 β-Ga₂O₃ SBPDs 與 Ni/Au 接觸的 SEM 圖像。

圖2. 機(jī)械剝離的 β-Ga₂O₃ 表面導(dǎo)電薄膜（SBPDs）在不同后退火溫度下的半對(duì)數(shù)電流-電壓（I-V）特性：（a）在黑暗條件下，（b）在 254 nm、1.2 mW/cm² 的照射下；（c）在 25 V 偏壓、40 μW/cm² 條件下的線(xiàn)性光譜響應(yīng)，（d）在相同條件下的歸一化光譜響應(yīng)。

DOI：

doi.org/10.1109/JSEN.2025.3572913

本文轉(zhuǎn)發(fā)自《亞洲氧化鎵聯(lián)盟》訂閱號(hào)