研究背景
β-Ga?O? 作為新興超寬禁帶半導體材料，具有約 4.9 eV 的準直接帶隙，其光響應峰值正好落在日盲紫外波段，是制備日盲紫外光電探測器的理想選擇。此外，β-Ga?O? 成本低廉，易于制備，又具有優良的化學和熱穩定性，有望應用于高溫和極端環境下的紫外監測。
但到目前為止，所報道的 β-Ga?O? 基日盲紫外光電探測器雖然在個別指標上，如響應速度、響應度和暗電流等表現出色，但在整體性能上仍未能滿足產業應用的高標準。特別是在暗電流控制和光電響應速度方面，現有技術仍有待提升。
因此，需要采取額外的制備工藝和后處理方法，來降低 Ga?O? 基日盲紫外光電探測器的暗電流，提高其光電響應速度和響應度。從而開發出綜合性能上能夠滿足或超越現有技術標準的新型 Ga?O? 基日盲紫外光電探測器，推動其在高精度日盲紫外成像等領域的實際應用。
近日，廈門大學 程其進/張洪良 團隊系統地研究了氧氣環境中的后退火和等離子體處理對 Ga?O? 薄膜晶體質量和光電性能的影響；之后，結合后退火與等離子體處理，創新地提出了一種在高溫下（最佳溫度為 700°C）進行氧氣等離子體處理的方法，得到了綜合性能優異的日盲紫外光電探測器件。該方法可以鈍化 Ga?O? 薄膜表面的缺陷以及提高薄膜內部的晶體質量，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器的性能。該工作構建的金屬-半導體-金屬結構的光電探測器，在 20 V 偏壓下，獲得了 44 fA 的極低暗電流、1.45 × 1016 Jones 的極高探測率、4.7 × 107 的光暗電流比、264.1 A/W 的響應度、58 ms 的下降時間。結合光致發光譜圖和 X 射線光電子能譜分析，該團隊詳細研究了高溫下（700°C）氧氣等離子體處理提高光電探測器性能的原因：高溫氧氣等離子體處理后，氧空位相關的缺陷減少，費米能級向價帶頂移動，提高了金屬-半導體接觸的肖特基勢壘，減少了陷阱輔助隧穿和直接隧穿發生的概率，有效降低了暗電流，提升了光電探測器的性能（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器在暗態和 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帶譜；(d) 基于 Ga2O3 原始樣品的金屬-半導體-金屬結構的光電探測器在暗態下的能帶圖；(e) 基于 700°C 氧氣等離子體處理樣品的金屬-半導體-金屬結構的光電探測器在暗態下的能帶圖（圖中 EC、EV、EF 分別代表導帶、價帶和費米能級）。
在實現高性能 Ga2O3 光電探測器的基礎上，該團隊構建了 10×10 的光電探測器陣列，并研究了單個器件的性能與整個陣列的電流均勻性，獲得了性能優異、均勻性良好的光電探測器陣列，并且在日盲紫外成像方面做了一些研究，實現了基礎英文字母的顯示成像（如圖 2 所示）。
Figure 2. (a) 10 × 10 Ga2O3 基光電探測器陣列的光學顯微鏡圖像；(b) 光電探測器陣列中九個像素的放大圖像；(c) 所有像素的二維光電流圖（偏壓 20 V 下測量）；(d) 暗態和 254 nm 紫外光照射下光電探測器陣列中所有像素的統計光電流和暗電流（偏壓 20 V 下測量）；(e) 成像系統的示意圖。 該研究為實現高精度日盲紫外成像奠定了堅實基礎。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”（《通過氧氣等離子體后退火實現具有超低暗電流和高比探測率的 Ga2O3 基日盲光電探測器陣列》）為題，發表在英國皇家化學會期刊 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）and Qijin Cheng*（程其進，廈門大學）
J. Mater. Chem. C, 2024, 12, 14876-14886
https://doi.org/10.1039/D4TC02859G
本文第一作者，廈門大學碩士研究生，2024 年畢業于廈門大學。碩士期間主要研究方向為寬禁帶半導體。
本文通訊作者，廈門大學博士后。2023 年博士畢業于廈門大學。主要研究方為寬禁帶半導體材料和器件。
本文通訊作者，廈門大學副教授。2008 年博士畢業于南洋理工大學，主持完成國家和省部級科研項目多項，發表研究論文 100 余篇。研究領域主要包括寬禁帶半導體、二維材料、光電探測器、太陽能電池。
（來源：RSC Materials Science ，作者程其進/張洪良等）
