日盲紫外光（240–280 nm）在太陽光譜中幾乎被臭氧層全吸收，因此具備天然低背景噪聲的優(yōu)勢，在航空、空間偵察、火焰?zhèn)鞲?、臭氧空洞監(jiān)測等領(lǐng)域具有不可替代的作用。選取合適的光導(dǎo)材料是研制高性能日盲探測器的關(guān)鍵。盡管 ZnO、SiC、AlGaN、MgZnO、金剛石等寬帶半導(dǎo)體已被廣泛研究，β-Ga2O3因其超高臨界擊穿場強(qiáng)（8 MV cm-1）、化學(xué)穩(wěn)定性及簡易摻雜調(diào)控而備受關(guān)注。然而，高質(zhì)量、大面積 β-Ga2O3薄膜的可控制備仍面臨“溫度-晶化度-缺陷"三角矛盾：傳統(tǒng)外延或浮區(qū)單晶工藝需 > 1000 ℃，與后端 CMOS、TFT 驅(qū)動電路不兼容；磁控濺射或電子束蒸發(fā)雖可低溫成膜，卻常陷入非晶+高氧空位陷阱，導(dǎo)致暗電流大、響應(yīng)慢。如何低溫誘導(dǎo)晶化并同步抑制缺陷，是該領(lǐng)域亟待突破的核心瓶頸。

圖1  摻硅氧化鎵薄膜的特性。（a）制備流程示意圖。（b~d）硅誘導(dǎo)再結(jié)晶過程示意圖。（e）O-500 的表面及截面形貌。（f）不同退火溫度下，沉積于二氧化硅包覆硅襯底上的摻硅氧化鎵薄膜的 X 射線衍射圖譜。（g）500℃退火條件下氧化鎵薄膜與摻硅氧化鎵薄膜的 X 射線衍射圖譜對比。（h）X 射線衍射峰的半高全寬。（i）光學(xué)透射光譜。（j）由透射光譜推導(dǎo)的光學(xué)帶隙。

文章采用電子束共蒸發(fā) Ga2O3（99%）與 SiO2（1%）顆粒，在 SiO2/Si 襯底上沉積 200 nm 非晶*驅(qū)層。500 ℃ O2氛圍退火后，AFM與SEM顯示表面均勻分布50-200 nm 納米晶粒；而未摻 Si 樣品在相同溫度下仍保持非晶（XRD 無衍射峰）。高分辨TEM證實，Si原子首先與Ga形成 Ga-Si 鍵，降低成核勢壘；當(dāng)溫度 ≥500 ℃ 時，Ga-Si 鍵斷裂釋放的能量驅(qū)動 Ga-O 四配位網(wǎng)絡(luò)重排，形成高結(jié)晶度 β-Ga2O3晶核。XRD 在 17°、30.6°、32.1°、35.5°、64.7° 出現(xiàn)（-201）、（400）、（002）、（111）、（403）特征峰，且（002）峰 FWHM 僅 0.39°，已接近脈沖激光外延水平（0.42°）。EDX 面掃描表明 Si 含量 ≈0.35 at.%，且分布均勻，無團(tuán)簇分相。

圖2 原始態(tài)、500℃退火及 800℃退火氧化鎵薄膜的 X 射線光電子能譜圖。（a）X 射線光電子能譜。（b~c）Ga2p3/2、Ga2p1/2及 Ga3d 芯能級譜。（d~f）O1s 芯能級譜。

高分辨 XPS 將 O 1s 分解為 OI（晶格 O2-，530.7 eV）、OII（氧空位，532.0 eV）、OIII（吸附 OH/H2O，533.0 eV）、OIV（SiO2，533.6 eV）四個分量。隨退火溫度升高，OII占比由 11.9%（原始生長態(tài)）降至 8.1%（500 ℃）和 7.6%（800 ℃），直接證明 O 原子外擴(kuò)散填*空位機(jī)制。同時 Ga 2p3/2結(jié)合能向低能端移動 0.4 eV，表明 Ga-Si 鍵增強(qiáng)、Ga-O 共價性提高，導(dǎo)帶尾態(tài)密度降低。紫外--可見透射光譜顯示光學(xué)帶隙由 4.66 eV 增至 4.88 eV，與氧空位濃度變化趨勢一致，為后續(xù)高抑制比奠定基礎(chǔ)。

圖3 原始態(tài)、500℃退火及 800℃退火氧化鎵光電探測器的光譜響應(yīng)。（a）摻硅氧化鎵薄膜紫外探測器的結(jié)構(gòu)示意圖及相應(yīng)的測試裝置圖。（b~d）不同偏置電壓下測得的光電探測器光譜響應(yīng)度。（e~g）光電探測器的歸一化光譜響應(yīng)度。

圖4 原始態(tài)、500℃退火及 800℃退火氧化鎵光電探測器的光電探測性能。（a~c）光電探測器在暗態(tài)及 254 nm、310 nm、400 nm 光照下的電流 - 電壓曲線（各波長光功率密度均為 11.5 mW?cm-2）。（d~f）不同入射光功率密度下、254 nm 光照條件下光電探測器的電流 - 電壓特性。

圖5 原始態(tài)、500℃退火及 800℃退火氧化鎵光電探測器的時間響應(yīng)特性。（a~c）10 V 偏置電壓、254 nm光照功率密度為11.5 mW?cm-2條件下光電探測器的時間相關(guān)光電流。（d）500℃退火氧化鎵光電探測器的上升時間與下降時間。(e、f)上升時間與下降時間的統(tǒng)計分析。

Ti/Au 叉指電極（間距50μm，有效面積5×10-4cm2）器件在20 V偏壓下，500℃ 樣品254 nm 響應(yīng)度高達(dá)5.4 A/W，比原始生長態(tài)提升4個數(shù)量級；暗電流僅8.6×10-14A，對應(yīng)探測率D* = 7.3×1014Jones。歸一化光譜顯示FWHM窄至40 nm，R254nm/R400nm 抑制比2.1×109，優(yōu)于多數(shù)高溫磁控器件（107量級）。時間分辨光電流表明，500℃ 樣品跌落時間 t_fall ≈ 99 ms，遠(yuǎn)快于傳統(tǒng)非晶 Ga2O3（~150 ms），且 250 s 連續(xù)照射波動 < 3%，顯示高穩(wěn)定性。作者進(jìn)一步指出，通過優(yōu)化膜厚與異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，響應(yīng)度仍有1–2個數(shù)量級提升空間。

本文中使用的光電測試系統(tǒng)是卓立漢光公司的DSR300光電探測器光譜響應(yīng)度標(biāo)定系統(tǒng)。DSR300光電探測器光譜響應(yīng)度標(biāo)定系統(tǒng)結(jié)合了北京卓立漢光儀器有限公司給多家科研單位定制的光譜響應(yīng)系統(tǒng)的特點和經(jīng)驗，采用國家標(biāo)準(zhǔn)計量方法進(jìn)行全自動測試，是光電器件、光電轉(zhuǎn)換材料的光譜響應(yīng)性能研究的必*工具。

結(jié)論

本工作提出"Si 誘導(dǎo)低溫再結(jié)晶"新機(jī)制，僅 500 ℃ 即可實現(xiàn)高結(jié)晶度、低氧空位、納米級晶粒的 Si:Ga2O3薄膜，兼顧了大面積均勻性與后端 CMOS/TFT 兼容性。所制日盲紫外探測器在20 V低偏壓下同時實現(xiàn) 5.4 A/W 響應(yīng)度、3.6×108開關(guān)比、7.3×1014Jones 探測率與 2.1×109抑制比，綜合性能超越多數(shù)高溫工藝器件。該策略為柔性紫外成像、主動矩陣焦平面及低功耗物聯(lián)網(wǎng)傳感節(jié)點提供了可擴(kuò)展、低成本的材料技術(shù)路線。

通訊作者及其團(tuán)隊介紹

陳軍，南開大學(xué)（學(xué)士）；中山大學(xué)（碩士，博士）。研究領(lǐng)域為真空微納電子器件，研究方向包括大面積納米冷陰極電子源，納米冷陰極發(fā)光、顯示、X射線源和探測器件。在電子科學(xué)與技術(shù)、光學(xué)工程、集成電路工程等專業(yè)招收碩士或博士研究生。主持國家重點研發(fā)計劃項目，主持完成國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃（973）項目子課題、國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（863計劃）課題、國家自然科學(xué)杰出基金、國家自然科學(xué)基金等科研項目。

相關(guān)產(chǎn)品推薦

本研究采用的是北京卓立漢光儀器有限公司DSR300光電探測器光譜響應(yīng)度標(biāo)定系統(tǒng)。如需了解該產(chǎn)品，歡迎咨詢。

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