【国内论文】中国科学技术大学龙世兵团队：基于氧空位调制的增强型高性能β-Ga₂O₃日盲紫外/X射线光探测器

        由中国科学技术大学龙世兵教授的研究团队在学术期刊 Science China Materials 发布了一篇名为 High-performance β-Ga₂O₃ solar-blind UV/X-ray photodetector enhanced by oxygen vacancy modulation（基于氧空位调制的增强型高性能 β-Ga₂O₃ 日盲紫外/X射线光探测器）的文章。

        本研究得到中国国家重点研发计划（2024YFA1208800 和 2023YFB3610200）、国家自然科学基金（62304215, 62171426, U23A20358, 62474170 和 62404214），以及中国科学技术大学（WK2100000056）的资金支持。部分实验工作在国家同步辐射实验室以及中国科学技术大学微纳研究与制造中心完成。

        高性能的日盲紫外（SBUV）和 X 射线探测器在科学研究、医疗诊断和天文成像等领域至关重要。β-氧化镓（β-Ga₂O₃）因其约 4.9 eV 的超宽禁带，是制造这类探测器的理想材料之一。尽管 Ga₂O₃ 探测器的性能已通过优化材料质量和器件结构得到提升，但其对 SBUV 和 X 射线的响应物理机制存在差异，且这种差异尚未被深入理解，这阻碍了器件综合性能的进一步优化。氧空位是 Ga₂O₃ 中的一种关键缺陷，它在光电响应过程中扮演着重要角色，但其在两种不同辐射下的具体作用机制需要被澄清。因此，通过精确调控氧空位的浓度，有望深入揭示这两种探测机制的差异，并借此提升探测器的综合性能。

        高性能日盲紫外和 X 射线探测器对于科学研究、医学诊断和天文成像至关重要。 Ga₂O₃ 已成为探测该范围内光谱的颇具前景的材料。 然而， Ga₂O₃ 对日盲紫外和 X 射线探测中的不同机制差异仍不清楚, 这限制了器件性能的进一步优化. 本研究引入氧空位调制, 旨在探索这些 机理差异, 并提升 Ga₂O₃ 探测器的综合探测能力。通过金属有机物化学气相沉积制备方法, 在不同氧气和 TEGa 前驱体的比例 (F_oxy/F_TEGa) 下, 制备了具备不同氧空位含量的高结晶度 β-Ga₂O₃ 薄膜, 并相应地制备了探测器。随着 F_oxy/F_TEGa 的增加， β-Ga₂O₃ 晶体质量得到提高, 氧空位含量降低。 最终，基于最低氧空位含量薄膜的器件展现出了极低的暗电流 (30.9 fA)。 在日盲紫外 (254 nm) 照射下, 该器件的光暗电流比高达 8.7 × 10⁸, 响应度为 237 A W^−1。 值得注意的是, 该探测器在 X 射线下的灵敏度 高达 10,736 µC cm⁻² Gy_air⁻¹, 是传统非晶硒探测器的 477 倍。 此外, 本研究阐明了氧空位在日盲紫外和 X 射线辐照光响应中的不同作用, 并揭示了这些差异如何影响响应度和响应速度。这些研究结果不仅加深了对 Ga₂O₃ 探测器的日盲紫外和 X 射线光响应机制的理解也为设计具有优异综合性能的探测器提供了理论基础。

        本研究采用高结晶度 Ga₂O₃ 薄膜制备了 MSM 光探测器，实现了对 SBUV/X 射线的高度响应。通过对比不同氧空位含量的器件，研究了光电流与响应速度的差异。值得注意的是，由于其优异的晶体质量和极低的氧空位含量，该器件 I_dark 仅为 30.9 fA 的条件下工作。在 254 nm 短波紫外照射下，其光敏电阻 R 达 237 A W⁻¹，响应速度(τ_r1/τ_d1)为 155/34 ms。更展现出卓越的 X 射线响应系数 S=10,736 μC cm⁻² Gy_air⁻¹，且在长期 X 射线照射下仍保持稳定性能。通过不同光注入条件下的能带分析，本研究揭示了 Ga₂O₃ 器件光响应变化的根本原因。这不仅深化了对 Ga₂O₃ 材料在 SBUV/X 射线光响应机制的理解，对推动未来高性能光电子器件的设计与工程化也具有重要意义。