研究背景
β-Ga?O? 作為新興超寬禁帶半導(dǎo)體材料，具有約 4.9 eV 的準(zhǔn)直接帶隙，其光響應(yīng)峰值正好落在日盲紫外波段，是制備日盲紫外光電探測(cè)器的理想選擇。此外，β-Ga?O? 成本低廉，易于制備，又具有優(yōu)良的化學(xué)和熱穩(wěn)定性，有望應(yīng)用于高溫和極端環(huán)境下的紫外監(jiān)測(cè)。
但到目前為止，所報(bào)道的 β-Ga?O? 基日盲紫外光電探測(cè)器雖然在個(gè)別指標(biāo)上，如響應(yīng)速度、響應(yīng)度和暗電流等表現(xiàn)出色，但在整體性能上仍未能滿足產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的高標(biāo)準(zhǔn)。特別是在暗電流控制和光電響應(yīng)速度方面，現(xiàn)有技術(shù)仍有待提升。
因此，需要采取額外的制備工藝和后處理方法，來(lái)降低 Ga?O? 基日盲紫外光電探測(cè)器的暗電流，提高其光電響應(yīng)速度和響應(yīng)度。從而開發(fā)出綜合性能上能夠滿足或超越現(xiàn)有技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的新型 Ga?O? 基日盲紫外光電探測(cè)器，推動(dòng)其在高精度日盲紫外成像等領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用。
近日，廈門大學(xué) 程其進(jìn)/張洪良 團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)地研究了氧氣環(huán)境中的后退火和等離子體處理對(duì) Ga?O? 薄膜晶體質(zhì)量和光電性能的影響；之后，結(jié)合后退火與等離子體處理，創(chuàng)新地提出了一種在高溫下（最佳溫度為 700°C）進(jìn)行氧氣等離子體處理的方法，得到了綜合性能優(yōu)異的日盲紫外光電探測(cè)器件。該方法可以鈍化 Ga?O? 薄膜表面的缺陷以及提高薄膜內(nèi)部的晶體質(zhì)量，有效降低 Ga?O? 薄膜的背景載流子濃度，提高日盲紫外光電探測(cè)器的性能。該工作構(gòu)建的金屬-半導(dǎo)體-金屬結(jié)構(gòu)的光電探測(cè)器，在 20 V 偏壓下，獲得了 44 fA 的極低暗電流、1.45 × 1016 Jones 的極高探測(cè)率、4.7 × 107 的光暗電流比、264.1 A/W 的響應(yīng)度、58 ms 的下降時(shí)間。結(jié)合光致發(fā)光譜圖和 X 射線光電子能譜分析，該團(tuán)隊(duì)詳細(xì)研究了高溫下（700°C）氧氣等離子體處理提高光電探測(cè)器性能的原因：高溫氧氣等離子體處理后，氧空位相關(guān)的缺陷減少，費(fèi)米能級(jí)向價(jià)帶頂移動(dòng)，提高了金屬-半導(dǎo)體接觸的肖特基勢(shì)壘，減少了陷阱輔助隧穿和直接隧穿發(fā)生的概率，有效降低了暗電流，提升了光電探測(cè)器的性能（Figure 1）。
Figure 1. (a) 基于 Ga2O3 原始樣品和 700°C 氧氣等離子體處理樣品的光電探測(cè)器在暗態(tài)和 254 nm 光照下的電流-電壓特性曲線；(b) 基于 Ga2O3 原始樣品和 700°C 氧氣等離子體處理樣品的光致發(fā)光譜圖；(c) 基于 Ga2O3 原始樣品和 700°C 氧氣等離子體處理樣品的價(jià)帶譜；(d) 基于 Ga2O3 原始樣品的金屬-半導(dǎo)體-金屬結(jié)構(gòu)的光電探測(cè)器在暗態(tài)下的能帶圖；(e) 基于 700°C 氧氣等離子體處理樣品的金屬-半導(dǎo)體-金屬結(jié)構(gòu)的光電探測(cè)器在暗態(tài)下的能帶圖（圖中 EC、EV、EF 分別代表導(dǎo)帶、價(jià)帶和費(fèi)米能級(jí)）。
在實(shí)現(xiàn)高性能 Ga2O3 光電探測(cè)器的基礎(chǔ)上，該團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了 10×10 的光電探測(cè)器陣列，并研究了單個(gè)器件的性能與整個(gè)陣列的電流均勻性，獲得了性能優(yōu)異、均勻性良好的光電探測(cè)器陣列，并且在日盲紫外成像方面做了一些研究，實(shí)現(xiàn)了基礎(chǔ)英文字母的顯示成像（如圖 2 所示）。
Figure 2. (a) 10 × 10 Ga2O3 基光電探測(cè)器陣列的光學(xué)顯微鏡圖像；(b) 光電探測(cè)器陣列中九個(gè)像素的放大圖像；(c) 所有像素的二維光電流圖（偏壓 20 V 下測(cè)量）；(d) 暗態(tài)和 254 nm 紫外光照射下光電探測(cè)器陣列中所有像素的統(tǒng)計(jì)光電流和暗電流（偏壓 20 V 下測(cè)量）；(e) 成像系統(tǒng)的示意圖。 該研究為實(shí)現(xiàn)高精度日盲紫外成像奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。該成果以 “Ultralow dark current and high specific detectivity of Ga2O3-based solar-blind photodetector arrays realized via post-annealing in oxygen plasma”（《通過(guò)氧氣等離子體后退火實(shí)現(xiàn)具有超低暗電流和高比探測(cè)率的 Ga2O3 基日盲光電探測(cè)器陣列》）為題，發(fā)表在英國(guó)皇家化學(xué)會(huì)期刊 Journal of Materials Chemistry C 上，并入選為 hot article。
Ultralow dark current and high specific detectivity of Ga2O3-based solar-blind photodetector arrays realized via post-annealing in oxygen plasma
Lingjie Bao, Zheng Liang, Siliang Kuang, Bohan Xiao, Kelvin H. L. Zhang, Xiangyu Xu* （徐翔宇，廈門大學(xué)）and Qijin Cheng*（程其進(jìn)，廈門大學(xué)）
J. Mater. Chem. C, 2024, 12, 14876-14886
https://doi.org/10.1039/D4TC02859G
本文第一作者，廈門大學(xué)碩士研究生，2024 年畢業(yè)于廈門大學(xué)。碩士期間主要研究方向?yàn)閷捊麕О雽?dǎo)體。
本文通訊作者，廈門大學(xué)博士后。2023 年博士畢業(yè)于廈門大學(xué)。主要研究方為寬禁帶半導(dǎo)體材料和器件。
本文通訊作者，廈門大學(xué)副教授。2008 年博士畢業(yè)于南洋理工大學(xué)，主持完成國(guó)家和省部級(jí)科研項(xiàng)目多項(xiàng)，發(fā)表研究論文 100 余篇。研究領(lǐng)域主要包括寬禁帶半導(dǎo)體、二維材料、光電探測(cè)器、太陽(yáng)能電池。
（來(lái)源：RSC Materials Science ，作者程其進(jìn)/張洪良等）
