【国内论文】JAC | 江苏大学团队在Ga₂O₃日盲紫外光电探测器场效应钝化技术上取得新进展

        由来自江苏大学的研究团队在学术期刊 Journal of Alloys and Compounds 发布了一篇名为 Porous SiO₂-Induced Field-Effect Passivation for Enhanced Ga₂O₃ Solar-Blind Ultraviolet Photodetectors（基于多孔二氧化硅的场效应钝化技术用于提升Ga₂O₃日盲区紫外线光电探测器的性能）的文章。

        现代传感、成像与光通信技术飞速发展，各波段光电探测技术逐步走向实用化。200~280 nm 波段被定义为日盲紫外波段，由于大气对该波段紫外光的强吸收作用，地面该波段辐射强度极低，使得日盲紫外探测具备低背景噪声、高信噪比、抗干扰能力强等独特优势，应用场景十分广泛。

        Ga₂O₃ 是典型的超宽禁带半导体，禁带宽度为 4.5~5.3 eV，本征吸收匹配日盲紫外波段，无需复杂的能带调控工艺，同时拥有热/化学稳定性佳、击穿电场高、电子饱和漂移速度大、成本低廉等优势，是日盲紫外探测器的核心优选材料。金属-半导体-金属（MSM）平面结构因制备简易、易集成，成为 Ga₂O₃ 探测器的主流结构。

        但 Ga₂O₃ 薄膜制备过程中会产生大量表面缺陷，这类缺陷会作为载流子俘获与复合中心，导致探测器响应度和响应速度无法同时兼顾，阻碍器件产业化。传统化学钝化仅能实现物理隔离，难以抑制载流子复合；等离子体钝化工艺复杂、设备昂贵，还易引入新缺陷，适用范围受限。场效应钝化已在太阳能电池领域得到应用，溶胶-凝胶法制备的多孔 SiO₂ 薄膜可同时引入固定电荷实现场效应钝化、化学钝化，且多孔结构能够增强光吸收，因此本文选用多孔 SiO₂ 对 Ga₂O₃ 基 MSM 日盲紫外探测器进行表面钝化改性。

        近年来，Ga₂O₃ 日盲紫外光电探测器凭借优异的性能受到广泛关注。金属-半导体-金属（MSM）结构因制备工艺简单、集成兼容性强而被普遍应用，然而表面缺陷态会引发载流子复合，限制 Ga₂O₃ 光电探测器的性能，导致器件响应度与响应速度难以兼顾。本文采用溶胶-凝胶法制备多孔 SiO₂ 薄膜，构建表面钝化方案，以此调控载流子输运路径，提升 Ga₂O₃ 基 MSM 光电探测器的光电响应性能。引入多孔 SiO₂ 薄膜后，器件响应时间显著缩短，稳定性也得到改善。在光功率密度为 1.23 mW/cm²、偏置电压为 30 V 的条件下，该探测器的探测率和响应度分别提升至原始器件的 461% 和 615%，分别达到 1.07 × 10¹³ Jones 和 148.91 A/W。与传统钝化方式不同，Ga₂O₃ 光电探测器性能提升主要归因于多孔 SiO₂ 薄膜内固定电荷引发的场效应钝化：薄膜中的负固定电荷会形成空间电荷层，抑制载流子复合并调控载流子输运。此外，多孔 SiO₂ 薄膜可通过化学钝化提升器件稳定性，其多孔结构还能增强光吸收。本研究为优化超宽禁带半导体光电器件的性能，提供了一种简便且有效的表面钝化方法。

        ·提出采用溶胶-凝胶法制备的多孔 SiO₂ 薄膜对 Ga₂O₃ 日盲紫外光电探测器进行表面钝化，工艺简单、实用性强。

        ·多孔 SiO₂ 薄膜内部存在负固定电荷，可引发场效应钝化，有效抑制表面缺陷造成的载流子复合，同步提升探测器响应度与响应速度。

        ·多孔 SiO₂ 兼具化学钝化作用，可提升器件长期工作稳定性；同时多孔结构能够增强紫外光吸收，进一步优化光电响应性能。

        ·该钝化策略解决了传统钝化技术的不足，为超宽禁带半导体光电器件的性能优化提供了全新思路。

        综上，该团队采用溶胶-凝胶法制备多孔 SiO₂ 薄膜，并以此构建表面钝化策略，提升 Ga₂O₃ 基 MSM 日盲紫外光电探测器的光电响应性能。引入多孔 SiO₂ 薄膜后，器件响应速度加快，暗电流有效降低，光电流得到提升。在 30 V 偏压、1.23 mW/cm² 光照条件下，该探测器的探测率与响应度分别达到 1.07 × 10¹³ Jones 和 148.91 A/W，分别为未钝化原始器件的 461% 和 615%。同时，该探测器在大气环境中存放 45 天后，仍可保持稳定的光电响应。多孔 SiO₂ 薄膜通过多重作用协同提升 Ga₂O₃ 光电探测器性能：借助场效应钝化抑制载流子复合，依靠化学钝化提升器件稳定性，并利用多孔结构增强光吸收。基于多孔 SiO₂ 薄膜的表面钝化策略，为超宽禁带半导体光电器件的设计与应用提供了可行思路。

        本研究得到国家自然科学基金（项目编号：62374076）、江苏省创新创业项目（项目编号：JSSCTD202146）的资助。

图 1. Ga₂O₃ 基光电探测器的制备流程示意图

图 2. (a) Ga₂O₃、Ga₂O₃/d-SiO₂ 和 Ga₂O₃/p-SiO₂ 样品的 XRD 图谱；(b) Ga₂O₃、Ga₂O₃/d-SiO₂ 和 Ga₂O₃/p-SiO₂ 样品的拉曼光谱

图 3. (a) Ga₂O₃ 的 SEM 图像；(b) Ga₂O₃/d-SiO₂ 的 SEM 图像；(c) Ga₂O₃/d-SiO₂ 的截面 SEM 图像；(d) Ga₂O₃/p-SiO₂ 的 SEM 图像；(e) Ga₂O₃/p-SiO₂ 的截面 SEM 图像；(f) Ga₂O₃/p-SiO₂ 沿红色箭头方向的 EDS 线扫描结果；(g) Ga₂O₃/p-SiO₂ 的 EDS 能谱；(h-l) Ga₂O₃/p-SiO₂ 的元素分布图

图 4. Ga₂O₃、Ga₂O₃/d-SiO₂ 和 Ga₂O₃/p-SiO₂ 光电探测器在 (a) 暗态和 (b) 光照条件下的 I-V 曲线；不同光功率密度下三种探测器的 (c) 探测率曲线和 (d) 响应度曲线；(e) Ga₂O₃ 与 (f) Ga₂O₃/p-SiO₂ 光电探测器的归一化 I-t 曲线

图 5. (a) Ga₂O₃、(b) Ga₂O₃/d-SiO₂、(c) Ga₂O₃/p-SiO₂ 光电探测器光电流随光功率密度变化的幂律拟合曲线；Ga₂O₃/p-SiO₂ 光电探测器在 (d) 不同光功率密度、(e) 不同偏压下的 I-t 曲线；(f) Ga₂O₃/p-SiO₂ 光电探测器在大气环境中存放 45 天前后的 I-t 曲线

图 6. (a) Ga₂O₃ 和 (b) Ga₂O₃/p-SiO₂ 的 KPFM 图像；(c) SiO₂ 薄膜中负固定电荷作用下 Ga₂O₃ 的能带结构示意图；(d) Ga₂O₃、Ga₂O₃/d-SiO₂ 和 Ga₂O₃/p-SiO₂ 的吸收光谱

图 7. Ga₂O₃ 基光电探测器光电响应性能提升机理示意图：(a) Ga₂O₃；(b) Ga₂O₃/d-SiO₂；(c) Ga₂O₃/p-SiO₂

DOI ： 

10.1016/j.jallcom.2026.189072