【国内论文】ASS丨江西理工大学：采用光波退火工艺的α-Ga₂O₃光电晶体管，实现弱紫外检测的创纪录特定比探测率（>10¹⁸ Jones）

        由江西理工大学的研究团队在学术期刊 Applied Surface Science 发布了一篇名为 Lightwave-annealed a-Ga₂O₃ phototransistors with record specific detectivity (>10¹⁸ Jones) for weak-UV detection （采用光波退火工艺的 α-Ga₂O₃ 光电晶体管，实现弱紫外检测的创纪录特定比探测率（>10¹⁸ Jones））的文章。

        非晶氧化镓（a-Ga₂O₃）因其大面积均匀性好、制备温度低以及与柔性基底兼容等优势，在日盲紫外探测领域展现出巨大潜力。然而，目前的 a-Ga₂O₃ 探测器通常面临探测率低（D*）和响应速度慢的问题，难以满足对微弱紫外信号（Weak-UV）的高灵敏度监测需求。传统的炉管退火（Oven Annealing）时间长且容易导致基底受损，因此，开发一种既能精确调控薄膜内部缺陷（如氧空位），又能保持非晶特性的高效退火工艺，成为提升 a-Ga₂O₃ 光电晶体管性能的关键。

        非晶氧化镓（a-Ga₂O₃）光电晶体管在日盲紫外（SBUV）探测领域具有广阔前景，但其性能受限于高缺陷密度和载流子传输性能差。为应对实现高性能 a-Ga₂O₃ 光电晶体管以进行低强度紫外探测的关键挑战，本研究引入了光波退火作为后处理工艺，旨在有效提升 a-Ga₂O₃ 薄膜的质量。与真空退火相比，优化的光波退火方法可显著降低氧空位（V_O）含量，拓宽带隙，并提高相对质量密度，表明薄膜更致密且质量更优。这一优化策略即使在弱紫外光照射（0.741 μW/cm²）下，也能将响应率提升约 4000 倍，使比探测率（D*）超过 10¹⁸ Jones，并将响应时间缩短一个数量级。本研究不仅在弱紫外光探测中实现了高探测率和高效应率，还阐明了光波退火调节 V_O 的潜在机制。

        ●该研究制备的 a-Ga₂O₃ 光电晶体管在日盲紫外波段实现了创纪录的比探测率，达到 >10¹⁸ Jones。这一数值远高于目前已报道的同类器件，证明了其在极微弱光信号探测方面的卓越能力。

        ●研究首次采用了光波退火（LWA）工艺。相比于传统热退火，光波退火利用高强度的光辐射在短时间内（秒级）完成能量传递，能够更精准地调节薄膜中的氧空位浓度和

        ●得益于光电晶体管的栅极调控能力以及光波退火对界面态的修复，器件表现出超高的光电流增益。同时，通过优化通道层质量，极大地抑制了暗电流噪声，使得器件能够从背景噪声中清晰分辨出极低功率的紫外辐照。

        ●本文深入探讨了光波退火对 a-Ga₂O₃ 薄膜中氧空位（V_o）的影响机制。研究发现，适度的光波处理能将缺陷态调控至理想水平，既保证了光诱导的载流子产生，又有效缓解了持久光电导（PPC）效应，改善了响应速度。

        ●该工艺展示了良好的均匀性和工艺可重复性。基于此技术制备的器件阵列在日盲紫外成像实验中表现优异，图像对比度高且噪点低，预示了其在未来高性能视频级日盲成像芯片中的应用前景。

        本研究系统探讨了光波退火过程对 a-Ga₂O₃ 薄膜及其 a-Ga₂O₃ 光敏晶体管性能的调控机制。光波退火可通过光子-热协同作用，有效促进 a-Ga₂O₃ 薄膜的结构重排和缺陷修复。与真空退火相比，优化的光波退火方法可显著降低氧空位（V_O）含量，拓宽带隙，并提高质量密度，从而促进薄膜致密化。薄膜质量的整体提升是器件实现优异光电性能的根本原因。这些结果表明，光波退火为突破 a-Ga₂O₃ 光敏晶体管在弱光检测中的性能瓶颈提供了一条关键技术路径。

        本项目由中国自然科学基金（62274166）资助。

图1. 不同退火条件下 a-Ga₂O₃ 薄膜的 X 射线光电子能谱（XPS）分析。(a–d) 样品O 1s XPS 谱图：(a) 真空 -400 °C，(b) 激光退火（LW）-40 分钟，(c) 激光退火 -50 分钟，(d) 激光退火 -60 分钟。(e) 从 XPS 谱图解卷积中提取的 M–O、V_O 和 –OH 组分在不同退火方法下的定量面积百分比。

图2. 不同退火条件下 α-Ga₂O₃ 薄膜的光学和结构表征。曲线分别对应真空 -400 ℃ 和激光退火 -40 分钟、激光退火 -50 分钟、激光退火 –60 分钟。（a）（αhν）²与光子能量（hν）的曲线图，其中显示了通过 Tauc 作图法获得的相应带隙。（b）不同退火条件下 α-Ga₂O₃ 薄膜的折射率与波长的函数关系。插图显示了 1700 nm 处 n 的放大视图；（c）X 射线反射率（XRR）光谱的放大视图，其中 θc 表示全外反射临界角。（d）关键光学参数总结：E_g（顶部）、n@1700 nm（中部）和ρ（底部）。

图3. (a) 样品响应谱：400 ℃ 真空退火（在 V_GS = V_on 和 V_GS = 50 V 下测量）、LW-40 min（在 V_GS = V_on 和 V_GS = 50 V 下测量）、LW-50 min（在 V_GS = V_on 和 V_GS = 41 V 下测量）以及 LW-60 min（在 V_GS =V_on 和 V_GS = 50 V 下测量）。(b)a-Ga₂O₃ 光敏晶体管结构 PDCR、D* 和 EQE 随不同退火条件的示意图。(c)不同退火工艺下器件在 254 nm 波长下的 t_rise 和 t_fall 总结。(d) 不同退火工艺下器件的 R₂₅₄/R₃₂₀ 和 R₂₅₄/R₄₅₀ 总结。(e)光波退火器件与典型报道的 a-Ga₂O₃ SBPD 之间的 R_max 和 D* 比较

图4. a-Ga₂O₃ 薄膜在光波退火过程中的微观结构演变示意图。

DOI：

doi.org/10.1016/j.apsusc.2026.166659