【国内论文】华南理工大学：具有可调氧空位的高效自供电日盲紫外检测用 NiO/Ga₂O₃ 异质结

        本工作得到了国家重点研发计划（2024YFF1504501、2022YFB3603805）、国家自然科学基金（62474070、62074059）和广东省自然科学基金（2025A1515010023）的部分支持，并获得了国家科技重大专项（2025ZD0615900、2024ZD0604100）的支持。

        日盲紫外探测器在火焰检测、导弹追踪及空间通信等领域具有重要应用，而自供电（Self-powered）特性能够使器件在无外部电源的情况下工作，是未来便携式与遥感设备的发展方向。氧化镓（Ga₂O₃）凭借其超宽带隙（~ 4.9 eV）成为日盲探测的理想材料，但其单一相结构往往难以兼顾高响应度与快速响应速度。为了解决这一问题，研究者通常构建 p-n 异质结（如使用 p 型 NiO 与 n 型 Ga₂O₃ 结合）利用内置电场驱动载流子分离。然而，异质结界面及薄膜内部的氧空位（Oxygen Vacancies）对电荷传输和复合机制有显著影响，如何通过调控这些缺陷来精确优化探测器性能是目前该领域的研究难点。

        基于宽禁带氧化物半导体的日盲紫外（UV）光电探测器在环境监测、火焰传感和安全光通信等领域具有极高的应用价值。其中，氧化镓（Ga₂O₃）因其超宽禁带和固有的日盲响应而备受关注；然而，其高暗电流、弱内建电场和缺陷诱导的不稳定性仍是关键挑战，尤其是对于通过可扩展溅射工艺制备的非晶薄膜而言。本文展示了一种基于氧化镍（NiO）/氧化镓（Ga₂O₃）异质结的自供电日盲紫外光电探测器，通过调节氩气（Ar）/氧气（O₂）溅射气氛，系统调控溅射氧化镓的氧空位浓度和能带结构。结合 X 射线光电子能谱、紫外光电子能谱和光学测量，发现氧空位浓度的变化同时调节了氧化镍/氧化镓界面处的费米能级位置、能带边缘对齐和内建电势。因此，优化后的异质结器件在零偏压下表现出低暗电流、明显的整流行为和高效的载流子分离，从而实现自供电运行。该光电探测器在 254 至 365 nm 波长范围内，响应率为 47 mA/W，探测率为 7.52 × 10¹¹ Jones，且具有超过 10⁴ 的高抑制比。此外，还成功实现了稳定且高对比度的紫外成像，凸显了该器件的实用价值。本研究为基于溅射宽禁带氧化物异质结的高性能日盲紫外光电探测器中缺陷和能带结构的调控提供了一种有效方法。

        ●研究展示了通过调节制备工艺参数（如溅射功率或退火条件），可以有效控制 NiO/Ga₂O₃ 异质结中的氧空位浓度。这为通过“缺陷工程”优化宽带隙半导体器件提供了实验依据。

        ●在零偏压下，该探测器表现出极高的灵敏度。由于氧空位的优化分布减少了非辐射复合中心，器件实现了高响应度和高比探测率，能有效捕捉微弱的日盲紫外信号。

        ●通过调控氧空位，研究团队成功抑制了氧化镓中常见的持久光电导（PPC）效应，使器件的响应时间达到了 ms 级甚至更快，确保了探测器在实时监测应用中的可靠性。

        ●研究发现，适量的氧空位调控改善了 NiO 与 Ga₂O₃ 之间的界面能带匹配，增强了异质结的内置电场，从而显著提升了光生电子-空穴对的分离效率。

        ●实验数据表明，该 NiO/Ga₂O₃ 异质结探测器在多次循环测试和不同环境条件下均表现出良好的重现性和长期稳定性，证明了其在实际复杂环境中的应用潜力。

        在本研究中，通过系统控制磁控溅射过程中的 Ar/O₂ 比例，实现了对 Ga₂O₃ 薄膜材料特性和光电子性能的协同优化。随着氧气比例从 0 % 增加到 40 %，薄膜的化学成分发生了显著变化，氧空位比例从 36.7 % 降低到 31.2 %，表明本征缺陷态得到了有效调控。尽管所有 Ga₂O₃ 薄膜均保持非晶态，但缺陷浓度的可控变化显著调节了电子结构和异质结能学性质。具体而言，随着氧含量的增加，ΔE_C 从 2.50 eV 降低到 1.70 eV，|ΔE_V| 从 3.5 eV 增加到 3.74 eV，V_bi 从 0.80 eV变化到 0.90 eV，这揭示了带排列对氧空位浓度的强烈敏感性。

        基于优化的缺陷配置和能带排列，NiO/Ga₂O₃ 垂直异质结器件展现出卓越的自供电太阳盲紫外光探测性能。在零偏压下，优化后的器件在 254 nm 波长处的响应率为 47 mA/W，波长抑制比（R254/R365）超过 10⁴，且具有快速的光响应特性，上升时间为 25 ms，下降时间为 63 ms。这些结果证实了氧空位在太阳盲光探测中的双重作用，即同时影响紫外光吸收和异质结能带排列。更重要的是，本研究阐明了基于 Ga₂O₃ 的太阳盲光探测器中工艺诱导的缺陷密度、能带排列与器件性能之间的关键相关性。

图1. NiO/Ga₂O₃ 异质结紫外光探测器顺序制备工艺示意图。

图2: （a）单层 NiO 薄膜、（b）单层 Ga₂O₃ 薄膜以及 NiO/Ga₂O₃ 异质结器件在不同退火条件下的时间依赖性光电流响应：（c）沉积态，（d）300 °C 退火态，以及（e）500 °C 退火态。（f）所有器件在零偏压下 254 nm 波长处的暗电流与光电流对比。

图3. 在不同 Ar/O₂ 流量比下制备的 NiO/Ga₂O₃ 异质结器件的光电探测性能：（a-c）时间依赖的光电流响应，（d）在 254 nm 光照下的相应响应率和探测率，（e）时间响应特性，以及（f）最佳器件的电流-电压特性。

图4. 在不同 Ar/O₂ 流量比下沉积的 Ga₂O₃ 薄膜的 X 射线光电子能谱（XPS）分析：（a-c）经峰去卷积处理的 O 1 s 核心能级谱图，以及（d）随 Ar/O₂ 比例变化的氧空位分数定量结果。

图5. 在不同 Ar/O₂ 流量比下沉积的 Ga₂O₃ 薄膜的光学吸收特性：（a）紫外-可见光吸收光谱（b）用于估算带隙的 Tauc 图。

图6. 在不同 Ar/O₂ 流量比下沉积的 Ga₂O₃ 薄膜的 NiO/Ga₂O₃ 异质结能带排列示意图，展示了异质结形成前（左）和形成后（右）的能带结构。

图7. (a) 优化后的 NiO/Ga₂O₃ 异质结器件在 254 nm 光照下的光电流响应，以及(b)采用重构“ SCUT ”图案的日盲紫外成像装置示意图。

DOI：

doi.org/10.3390/ma19030530