【国内论文】MTP丨中科院宁波材料所张文瑞研究员团队：通过原位生长压力调控缺陷工程实现超高响应度的 β-Ga₂O₃ 日盲紫外光电探测器

        由中科院宁波材料技术与工程研究所张文瑞研究员的研究团队在学术期刊 Materials Today Physics 发布了一篇名为Ultrahigh Responsivity β-Ga₂O₃ Solar-Blind Ultraviolet Photodetectors through In-situ Growth Pressure-Tuned Defect Engineering（通过原位生长压力调控缺陷工程实现超高响应度的 β-Ga₂O₃ 日盲紫外光电探测器）的文章。

        日盲紫外光电探测器由于对太阳背景辐射本征不敏感，在火焰探测、保密通信、环境监测以及导弹预警等领域具有重要应用价值。为满足上述需求，近年来多种超宽禁带半导体材料被广泛研究用于日盲紫外探测，包括 AlGaN、ZnMgO、ZnGa₂O₄、金刚石以及 β-Ga₂O₃ 等。其中，β-Ga₂O₃ 凭借其 4.5–4.9 eV 的超宽禁带、高击穿场强以及优异的化学与热稳定性，被认为是极具潜力的日盲紫外光电探测材料之一。然而，尽管相关研究已取得显著进展，β-Ga₂O₃ 光电探测器在实际应用中仍面临暗电流偏高、响应度受限以及响应速度较慢等关键问题。已有研究表明，这些性能瓶颈主要源于材料中不可避免的本征点缺陷，尤其是氧空位、镓空位及其复合形成的镓-氧双空位缺陷。这类缺陷在 β-Ga₂O₃ 中往往作为载流子俘获中心或复合中心存在，并与持续光电导效应密切相关，从而显著影响器件的光电响应特性。针对缺陷问题，研究者已尝试通过退火处理或表面钝化等后处理手段加以改善，但这些方法在缺陷调控的可重复性和精细可控性方面仍存在一定局限。相比之下，在外延生长过程中进行原位缺陷工程，为系统调控 β-Ga₂O₃ 的电子结构与光电性能提供了更为直接和有效的途径。金属有机化学气相沉积作为一种高度可控的外延生长技术，能够通过调节生长参数精细调控薄膜的生长动力学与缺陷化学。其中，生长压力对前驱体输运、成核行为以及吸附原子的表面迁移具有显著影响，因而被认为是调控点缺陷形成的关键因素。然而，目前关于生长压力如何系统性影响 β-Ga₂O₃ 中缺陷演化及其光电响应机制的认识仍不充分，有必要开展深入研究。

        β-Ga₂O₃ 是一种极具潜力的日盲紫外（UV）光电探测器材料，但其器件性能往往受限于本征点缺陷。本文通过在金属有机化学气相沉积（MOCVD）过程中引入生长压力调控，实现原位缺陷工程，制备出性能超高的 β-Ga₂O₃ 光电探测器。通过将沉积压力在 40–100 mbar 范围内系统调节，发现镓–氧双空位复合缺陷的形成呈现非单调变化，这一行为受前驱体输运、表面成核以及吸附原子迁移动力学等竞争机制共同支配。X 射线光电子能谱（XPS）和光致发光（PL）分析表明，在 80 mbar 的中等生长压力下，吸附原子迁移能力与前驱体动力学达到平衡，从而使 V_Ga–V_O 缺陷的引入量达到最大。V_Ga–V_O 复合缺陷作为深能级空穴俘获中心，可显著延长载流子寿命并产生强烈的光电导增益。在 80 mbar 条件下生长的 β-Ga₂O₃ 光电探测器表现出 1.40 × 10⁴ A/W 的超高响应度、1.88 × 10⁷ 的光暗电流比、1.12 × 10¹⁴ Jones 的探测率，以及 33.9/10.5 ms 的快速上升/衰减时间。该研究表明，基于生长压力调控的缺陷工程是一种有效调控 β-Ga₂O₃ 光电性能的策略，为实现高性能日盲紫外光电探测器提供了一条可行途径。

        1、通过生长压力调控，实现 MOCVD 生长过程中 V_Ga–V_O 缺陷的精确引入，而非依赖后处理。

        2、揭示沉积压力通过前驱体输运、表面成核和吸附原子迁移的竞争效应调控双空位形成。

        3、V_Ga–V_O 复合缺陷作为深能级空穴俘获中心，延长载流子寿命，实现超高响应度和探测率。

        4、明确了最大化缺陷引入和器件性能的中间压力条件，提出通过原位缺陷工程系统调控 β-Ga₂O₃ 光电特性的通用方法。

        本研究通过在 MOCVD 生长过程中采用生长压力调控的原位缺陷工程，实现了超高响应度的 β-Ga₂O₃ 光电探测器。生长压力引起的表面成核、吸附原子迁移以及气相反应动力学的变化，导致 V_Ga–V_O 复合缺陷的非单调形成，这些缺陷作为深能级中心延长了载流子寿命，并产生了光电导增益。在 80 mbar 条件下生长的 β-Ga₂O₃ 光电探测器表现出卓越性能，包括光暗电流比达 1.88 × 10⁷、超高响应度 1.4 × 10⁴ A/W、探测率 1.12 × 10¹⁴ Jones，以及快速上升/衰减时间 33.9/10.5 ms。本研究建立了通过原位缺陷工程调控 β-Ga₂O₃ 光电特性的稳健方法，为下一代高性能日盲紫外光电探测器的设计与制备提供了重要参考。

        本工作得到了国家自然科学基金（项目编号：62304227）、浙江省自然科学基金（项目编号：LQ23F040005）以及宁波市甬江引才计划（项目编号：2021A-046-C）的资助。

图 1. (a) 在不同生长压力下，生长于蓝宝石衬底上的 β-Ga₂O₃ 薄膜的 XRD 图谱。(b) 在各种生长压力下制备的 β-Ga₂O₃ 薄膜的拉曼光谱，插图显示 β-Ga₂O₃ 在 200 cm^-1 处拉曼活性峰的拟合结果。(c) β-Ga₂O₃ 薄膜的光学透射光谱。(d) 用于光学带隙计算的 β-Ga₂O₃ 薄膜 Tauc 图。

图 2. (a) 在不同生长压力下生长的 β-Ga₂O₃ 薄膜的截面 SEM 图像；(b) 相应薄膜的表面 AFM 形貌图。

图 3. (a) β-Ga₂O₃MSM 光电探测器的示意图；(b) β-Ga₂O₃ MSM 光电探测器在暗态及 254 nm、光强为 1.54 mW/cm² 的照射下的 I–V 特性；(c) 20 V 条件下光电流及光暗电流比随生长压力的变化；(d) β-Ga₂O₃ 光电探测器在不同光强下的响应度。

图 4. (a) 器件在 20 V 条件下，254 nm 光照及不同光强下的光响应时间演化；(b) 20 V 条件下光电流随光强的变化关系。

图 5. (a) 瞬态响应测试平台示意图；(b) 在 254 nm LED 光调制频率为 5 Hz 条件下，不同生长压力 β-Ga₂O₃ 光电探测器的瞬态光响应特性；(c) β-Ga₂O₃ 光电探测器响应时间与生长压力的关系。

图 6. 不同生长压力下 β-Ga₂O₃ 薄膜的 O 1s 核能级 XPS 光谱：(a) 40 mbar，(b) 60 mbar，(c) 80 mbar，(d) 100 mbar。

图 7. (a) 不同生长压力下 β-Ga₂O₃ 薄膜的 PL 光谱；(b) β-Ga₂O₃ MSM 光电探测器在 20 V 条件下 254 nm UV 光照下的能带示意图。

DOI：

doi.org/10.1016/j.mtphys.2026.102030