【国内论文】福州大学朱敏敏教授、张海忠教授团队：β-(AlₓGa₁₋ₓ)₂O₃/Al₂O₃异质结构中带隙的热调控及其在可调光电探测器性能中的应用

        β-Ga₂O₃ 具有约 4.8 eV 的禁带宽度，其吸收边恰好对应于日盲紫外波段（200-280 nm）。由于大气臭氧层的吸收，这一波段的太阳辐射无法到达地面。因此，基于氧化镓的探测器在火焰检测、导弹预警和空间通信中具有零背景干扰的天然优势。虽然 β-Ga₂O₃ 性能优异，但单一材料的禁带宽度是固定的，这限制了探测器对特定短波长的响应选择性。通过将 Al 引入Ga₂O₃ 晶格形成三元合金 β-(Al_xGa_1-x)₂O₃，可以将禁带宽度从 4.8 eV 进一步连续扩展到 5.5 eV 甚至更高。这不仅能提高器件的击穿场强，还能使探测器的截止波长向更短波段移动。目前制备高 Al 含量的氧化镓铝（AlGO）薄膜主要依赖于 MOCVD或 MBE。虽然这些方法能实现高质量生长，但设备极其昂贵、工艺复杂，且在 β 相单晶结构中掺入高浓度 Al 时常会出现相位分离现象。研究者们寻找一种更简单、低成本的方案：热互扩散。蓝宝石（Al₂O₃）衬底本身就是丰富的 Al 资源池。如果在高温环境下诱导衬底中的 Al 原子扩散进入上层的 Ga₂O₃ 薄膜，就能在不增加复杂外延设备的前提下，实现薄膜的成分演变和性能调控

        具有超高带隙的半导体 Ga₂O₃ 因其高击穿电压特性，在光电子学和光子学领域展现出巨大应用潜力。本研究提出一种通过后生长热退火实现铝掺杂 Ga₂O₃ 可扩展生产的经济高效策略。实验结果表明：在优化退火条件下，二元 β-Ga₂O₃ 薄膜首先形成可调控组成的三元 (-201) β-(Al_xGa_1-x)₂O₃ 合金，最终构筑出 β-(Al_xGa_1-x)₂O₃/Al₂O₃ 异质结构。通过 X 射线衍射 (XRD) 分析发现，未经退火及 1300 ℃ 退火处理的 β-Ga₂O₃ 模板样品中铝含量在 0 至 0.598 之间变化，光学带隙可调范围为 5.01 eV 至 6.30 eV。此外，基于这些复合材料制备的紫外光探测器展现出增强的光响应性能：暗电流低至16.6 fA，最大开/关电流比达4.53 × 10⁶，响应度高达 5.48 A/W。这项研究为定制 β-(Al_xGa_1-x)₂O₃ 薄膜的带隙提供了简单而有效的方法，可用于深紫外光电应用。

        ●实现成本效益高且可扩展的 (-201) 取向 β-(Al_xGa_1-x)₂O₃/Al₂O₃ 异质结构制备。

        ●退火过程中铝含量从 0 增加至 0.598，带隙可调范围达 5.01 至 6.30 eV。

        ●紫外光探测器展现出16.6 fA 暗电流、4.53 × 10⁶ 开/关比及 5.48 A/W 响应度。

        本研究提出了一种通过可控高温处理工艺制备晶圆级 β-(Al_xGa_1-x)₂O₃/Al₂O₃ 异质结构的低成本、可扩展方法。XRD 分析表明，无论是生长后还是退火后的薄膜均沿(-201)晶面高度取向，且由于 Al-Ga 互扩散作用，衍射峰显著向高角度偏移。热处理使薄膜厚度从 195 nm 增至 483 nm，光学带隙相应从 5.01 eV 扩展至 6.30 eV。此外，基于该合金制备的紫外光探测器展现出卓越的光电性能：暗电流仅 16.6 fA，峰值开/关电流比达 4.53 × 10⁶，响应度高达 5.48 A/W。这些结果表明，通过简单的热扩散过程即可实现 β-(Al_xGa_1-x)₂O₃ 薄膜的带隙调谐，从而获得能够响应更短深紫外波长的材料，进一步拓展其在深紫外光电子学领域的应用潜力。

图1. β-(Al_xGa_1−x)₂O₃/Al₂O₃ 异质结厚度随退火温度的变化。插图为对应样品的扫描电子显微镜图像。

图2. 退火温度为 1000 °C 时薄膜的 EDS 分析：（a）Al，（b）Ga 和（c）O；退火温度为 1300 °C 时薄膜的 EDS 分析：（d）Al，（e）Ga 和（f）O。

图3. (a) 不同退火温度（900–1300 °C）下沉积于蓝宝石衬底上的 Ga₂O₃ 薄膜 XRD θ-2θ 扫描谱图，以及作为对照的裸蓝宝石基底谱图。(b) (-603) 峰位置对比：未退火样品与不同温度退火样品。

图4. (a) 在 900–1300 °C 退火的 β-Ga₂O₃ 薄膜的光学透射率光谱（插图：沉积后 β-Ga₂O₃ 与退火样品的 Tauc 图（αhν）² vs. hν，含外推的光学带隙值）。(b) β-(Al_xGa_1−x)₂O₃ 薄膜光学带隙随退火温度变化曲线。(c) β-(Al_xGa_1−x)₂O₃ 薄膜在 1100 ℃ 退火不同时长的透射率光谱（插图：对应的Tauc图及外推的带隙值）。(d) 1100 ℃ 退火条件下光学带隙随退火时间的变化。

图5. β-(Al_xGa_1−x)₂O₃ 薄膜的 (a) XPS 普查扫描图，(b) Al 2p 能谱图，以及 (c) Ga 3d 能谱图。

图6. β-(Al_xGa_1−x)₂O₃/Al₂O₃ 异质结紫外光探测器在暗环境及 254 nm 深紫外照射下的 I–V 曲线：(a) 沉积后； (b) 900 ℃、1000 ℃、1100 ℃、1200 ℃ 及 1300 ℃ 退火样品； (c) 退火温度对 PDCR 的影响；(d) 偏压 1 V 下 254 nm 紫外照射的时变 I-T 曲线。

图7. (a) 不同退火温度下深紫外光探测器的归一化光谱响应曲线。 (b) 退火温度对峰值响应度和探测度的影响。带偏压状态下 MSM 结构的能带图：(c) 暗态条件下，(d)  254 nm 深紫外照射下。

DOI：

doi.org/10.1016/j.optmat.2026.117885