【国内论文】西安邮电大学陈海峰教授团队：基于氧化镓薄膜的紫外光电探测器的性能研究

        由西安邮电大学陈海峰教授的研究团队在学术期刊《传感器与微系统》发布了一篇名为Performance study of ultraviolet photodetector based on gallium oxide thin film（基于氧化镓薄膜的紫外光电探测器的性能研究）的文章。

        氧化镓（Ga₂O₃）具有较大的禁带宽度和较高的击穿电场强度，同时对 O₂ 以及日盲紫外线具有较高敏感性，并具备电子迁移率高、介电常数低、物理化学性质稳定及机械强度高等优点，因此可广泛应用于功率半导体器件、气敏传感器以及日盲紫外探测器等领域，是一种具有重要应用前景的多功能宽禁带半导体材料。β-Ga₂O₃ 的禁带宽度约为 4.8 eV，对应吸收波长约为 254 nm，恰好与日盲紫外辐射的光子能量相匹配，因此被认为是理想的日盲紫外探测材料。

        近年来，Ga₂O₃ 薄膜因制备工艺相对简单、成本较低且性能优异，已成为国际研究热点。目前，Ga₂O₃ 薄膜的制备方法主要包括分子束外延（MBE）、化学气相沉积（CVD）、物理气相沉积（PVD）以及原子层沉积（ALD）等。其中，ALD 技术具有优异的台阶覆盖能力、大面积高均匀性以及原子级厚度精确控制等优势。已有研究表明，250 ℃ 是利用 ALD 生长 Ga₂O₃ 薄膜的最佳温度，并成功制备出具有快速响应特性的光电探测器，其上升/下降响应时间分别为 539 ns 和 89 ms。此外，通过 PLD 或 PVD 方法制备的 β-Ga₂O₃ 薄膜同样被用于 MSM 结构日盲紫外光电探测器的研究，虽然部分器件表现出较低暗电流或较高光响应度，但仍存在响应速度较慢等问题。

        基于此，本文采用 ALD 技术在 Al₂O₃ 衬底上生长 Ga₂O₃ 薄膜，并利用 X 射线衍射（XRD）对薄膜质量进行表征。在此基础上制备叉指电极结构的 MSM 光电探测器，并通过 550 ℃、90 s 的快速退火处理，系统研究叉指间距、光强以及退火工艺对器件性能的影响。

        采用原子层沉积（ALD）在蓝宝石（Al₂O₃）衬底上生长了130 nm的 β-Ga₂O₃ 薄膜，并对薄膜进行X射线衍射（XRD）测试，以证实其质量，在生长的薄膜上制备了叉指结构的金属—半导体—金属（MSM）光电导型光电探测器。该器件具有100 fA的超低暗电流和1×10⁶的超高光暗电流比（PDCR）。对该器件进行快速退火后，具有58μA的超高光电流，器件欧姆接触更好，但是光、暗电流均增大，PDCR降低一个数量级，薄膜电阻增大，电子散射能力增强，器件性能相较退火前变弱。最后研究了退火后叉指间距、光强对器件性能的影响。

        ●超高性能初始器件指标：利用原子层沉积（ALD）技术生长的 β-Ga₂O₃ 薄膜探测器，实现了 100 fA 的超低暗电流 和 1×10⁷ 的超高光暗电流比（PDCR） 。

        ●退火工艺对性能的双重影响：550°C 快速退火显著改善了电极的欧姆接触 ，使响应度提升至 1.2×10⁴，但因重结晶导致电子散射增强，使 PDCR 降低且响应速度变慢 。

        ●结构参数的精确调控：明确了叉指间距越小，光生载流子越容易被捕获 ，10 µm 间距器件表现出最佳的响应速度（420 ms/210 ms）和最高的 PDCR。

        ●多项性能指标的线性增益：验证了 PDCR、响应度、外量子效率（EQE）和比探测率（D*）均随光照强度的增大而呈线性增加 。

        在本文中，通过 ALD 在 Al₂O₃ 衬底上生长了 50 nm 的 β-Ga₂O₃ 薄膜，并在生长的薄膜上制备了叉指结构的 MSM 光电探测器。研究了退火前不同光强、不同叉指间距对器件特性的影响，并在 550 ℃ / 90 s 的条件下进行了快速退火，对比了退火前后器件的性能差异，探究了叉指间距和光强对器件 PDCR、响应度、EQE 和 D* 的影响。

        结果表明，退火前器件具有较低的暗电流和光电流；退火后 MSM 的光响应出现退化，薄膜发生重结晶，晶体结构劣化，电子散射作用增强，迁移率下降，从而导致退火后 PDCR 减小。同时，退火后器件的 I–V 曲线线性度较高，表明退火后器件的欧姆接触得到改善，但 PDCR 减小了一个数量级。

        总体而言，退火前器件具有 1 × 10⁷ 的超高 PDCR；退火后器件具有 1.2 × 10³ A/W 的超高响应度和 6 × 10⁴ 的 PDCR。此外，器件的叉指间距会影响其特性：间距越大，光电流和暗电流越小，响应度和 EQE 随叉指间距减小；在相同叉指间距下，光强越大，光电流和暗电流越大，PDCR 越大，同时 EQE、响应度和 D* 也越大。

图1 Ga₂O₃薄膜的XRD图

图2 器件结构示意

图3 退火前器件电学性能

图4 退火前后器件性能对比

图5 不同光强下器件性能

图6 不同叉指间距下器件性能

DOI：

10.13873/J.1000-9787(2026)03-0062-05