【会员论文】中国科学院苏州纳米所纳米加工平台&中国科学技术大学&河南师范大学：晶圆级Ga₂O₃柔性日盲紫外光探测器

        由中国科学院苏州纳米所纳米加工平台、中国科学技术大学、河南师范大学的研究团队在学术期刊 Journal of Materials Science & Technology 发布了一篇名为Wafer-scale high-performance flexible solar-blind ultraviolet photodetectors based on a-Ga₂O₃ grown by MOCVD（基于 MOCVD 外延生长的 a-Ga₂O₃ 的晶圆级高性能柔性日盲紫外光探测器）的文章。中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所的胡毓、陈体威博士为共同第一作者，张晓东、王逸群为通讯作者。

        Journal of Materials Science & Technology（JMST）‌是中国材料科学领域的权威英文期刊，创刊于 1985 年，现为旬刊，由 Elsevier 合作出版。该期刊以高影响因子和中科院一区 Top 期刊地位著称（IF=14.3），重点关注金属材料、高分子材料等领域的前沿研究。旨在加强材料科学与技术科学活动的国际交流，重点关注无机非金属材料、半导体材料、金属材料、高分子材料等领域的前沿研究。

        本工作得到以下项目支持：苏州核心关键技术攻关项目（编号 SYG2024003）、国家重点研发计划（编号 2021YFC2203400）、南昌市重点实验室建设项目（编号 2020-NCZDSY-008）、中国科学技术大学学生创新创业基金（编号 CY2023×001），以及中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所的纳米加工平台、测试分析平台与纳米真空互联实验站（NANO-X）。

        日盲深紫外光电探测器（UVPDs）在 200–280 nm 波段内工作，广泛应用于航天探测、环境监测和导弹尾迹探测等领域。传统基于刚性衬底的 Ga₂O₃ 器件虽然性能优异，但在柔性电子、可穿戴设备等轻量、柔韧、可贴附的应用中会受到一定限制。非晶 Ga₂O₃（a-Ga₂O₃）薄膜具有无序的原子排列方式，因此对柔性衬底的变形和弯曲具有更好的适应性，使其成为制备柔性UVPD的理想材料。然而，由于 a-Ga₂O₃ 中存在大量氧空位（V_o）等深能级缺陷易，会导致器件出现持续光电导（PPC）、暗电流增加及响应延迟，显著影响器件性能。因此，实现大面积、高性能柔性 a-Ga₂O₃ UVPD 需要同时优化材料缺陷（如降低 V_o 浓度）和器件工艺。该工作通过富氧设计策略提高 MOCVD 生长过程中的氧气流量，并结合 Si 衬底去除以及薄膜转移技术，实现 4 英寸晶圆级柔性金属-半导体-金属（MSM）UVPD，器件在转移前后均表现出高响应度、高外量子效率、快速瞬态响应，并在不同测试条件下展示出优异的机械柔性和环境稳定性，为柔性紫外探测器的大规模应用奠定了基础。

        柔性紫外探测器因其轻量化特性及与复杂曲面的良好适配性，被广泛研究并应用于可穿戴电子设备和环境监测领域。a-Ga₂O₃ 具有 4.9 eV 的宽带隙，非常适用于柔性日盲紫外探测。然而，深能级缺陷（如氧空位）长期以来严重限制了基于 a-Ga₂O₃ 的柔性探测器性能。此外，实现大面积柔性器件仍存在挑战，这一问题持续阻碍其发展。本文采用富氧设计策略，将器件的响应时间缩短至4.3/11.2 ms，将暗电流从 6.9 μA 降低至 0.3 μA，并将探测器带宽提升 600 dB。通过机械减薄与湿法刻蚀工艺，实现了 4 英寸晶圆级柔性 a-Ga₂O₃ 探测器的制备。值得注意的是，器件在转移前后以及不同弯曲角度和温度变化条件下均表现出高度一致的性能。此外，成功制备了由 144 个像素组成的大面积柔性探测器阵列，并实现了高对比度的紫外成像。本研究为高性能、晶圆级 a-Ga₂O₃ 柔性探测器的发展提供了重要参考。

        ● 基于非晶氧化镓的晶圆级柔性紫外探测器。

        ● 富氧调控将暗电流从 6.9 μA 降至 0.3 μA。

        ● 响应快速（4.3/11.2 ms），具有优异的弯曲与稳定性。

        ● 144 像素柔性阵列，实现高对比度紫外成像。

        本研究成功制备了一种基于 a-Ga₂O₃ 的 4 英寸晶圆级柔性 MSM 型紫外光电探测器（UVPD）。a-Ga₂O₃ 薄膜通过金属有机化学气相沉积（MOCVD）方法生长，并结合衬底去除与可控薄膜转移工艺，实现了柔性器件结构的构筑。通过采用富氧生长策略并将氧气流量优化至 1000 sccm，有效抑制了氧空位（V_o）的浓度，使薄膜表面粗糙度降低至 0.73 nm，同时显著减弱了器件的持续光电导（PPC）效应。所制备的器件表现出快速的瞬态响应特性（转移前 τ_r/τ_d = 4.3/11.2 ms，转移后为7.1/13.6 ms），并在转移前后均保持稳定的高性能，平均响应度分别达到 212.01 A W^-1 和 294.2 A W^-1，对应的外量子效率（EQE）分别为 1028.25% 和 1426.87%。此外，器件在反复机械弯折及不同紫外光照强度条件下仍能保持稳定运行，展现出优异的机械稳健性、热稳定性及成像能力。以上结果为实现高性能、大面积、低成本的柔性 a-Ga₂O₃ 紫外光电探测器提供了一条可扩展且经济可行的发展路径，为下一代紫外探测与成像系统的构建奠定了坚实基础。

图 1. 柔性金属–半导体–金属（MSM）结构非晶氧化镓（a-Ga₂O₃）日盲深紫外探测器的制备流程。

图 2. (a) Si (111) 衬底、Si/AlN 复合衬底及 Ga₂O₃ 样品的 XRD 2θ 扫描曲线；(b) AlN 插入层与 a-Ga₂O₃ 薄膜界面的 SEM 与 HRTEM 截面图；(c) XPS 全谱扫描；(d) a-Ga₂O₃ 的 O 1s 核能级谱；(e) a-Ga₂O₃ 的 Ga 3d 核能级谱；(f–h) 在氧流量分别为 200、600、1000 sccm 条件下生长的 a-Ga₂O₃ 薄膜的 AFM 三维形貌图。

图 3. (a) 不同氧流条件下I–V 特性曲线；(b) 不同氧流条件下 a-Ga₂O₃ UVPD 的频率响应；(c–e) 不同偏压下的噪声功率谱密度 (PSD)。

图 4. (a 和 b) 4 英寸柔性器件转移前后照片；(c) 100 个随机选取 UVPD 的 I–V 曲线；(d 和 e) 转移前后 100 个随机选取 UVPD 的暗电流和光电流分布；(f) 10 Hz 调制频率下的瞬态响应时间；(g) 600 Hz 调制频率下的瞬态响应特性；(h) 200–400 nm 波长范围内的响应光谱；(i) UVPD 的响应度和响应时间与已报道结果的对比。

图 5. (a) D 形柱弯曲测试方法示意图；(b) 不同弯曲曲率下的柔性器件示意图；(c) 不同弯曲曲率下柔性器件的 I–V 曲线；(d) 多循环瞬态光响应；(e) 不同弯曲曲率下柔性器件的响应度 (R) 和外量子效率 (EQE)；(f) 弯曲循环次数与暗电流 (I_d) 及光电流 (I_p) 演变关系图；(g) 响应度 (R) 和 EQE 随弯曲循环次数变化图；(h) 不同工作温度下 I_d 和 I_p 的演变图；(i) 不同工作温度下的响应度 (R) 和 EQE。

图 6. (a) 不同光强下光电流 (I_p) 的演变图；(b) 不同光强下的响应度 (R) 和外量子效率 (EQE)；(c) 应用概念示意图；(d) D 型柱的截面结构及紫外光照射示意图；(e) 紫外成像系统；(f) 开启紫外光照射后图像对比度的演变。

DOI：

doi.org/10.1016/j.jmst.2025.10.005