【国内论文】Materials&Design| 长春理工大学：氧空位调制对单根Ga₂O₃微丝光探测器性能的影响

        日盲光电探测器是一类工作在 200–280 nm 波段的紫外探测器件，由于该波段太阳辐射几乎被大气臭氧层吸收，地表背景干扰极低，因此具备信噪比高、探测精度好的优势，在导弹预警、火情监测、空间通信、环境监测及生物医学传感等领域具有重要应用价值。超宽禁带半导体是制备日盲探测器的核心材料，其中氧化镓（Ga₂O₃）因禁带宽度达 4.5–4.9 eV、物理化学稳定性优异且制备工艺成熟，成为该领域的研究热点。

        一维氧化镓微米线（Ga₂O₃ MWs）具有比薄膜、纳米线阵列更高的比表面积，能充分发挥一维材料的载流子限域效应与表面效应，同时兼具高温稳定性和抗辐射性，是缺陷工程调控与高性能日盲探测的理想平台。氧空位作为氧化镓最主要的本征缺陷，其浓度直接决定材料光电性能：适量氧空位可作为施主能级提升载流子浓度与光响应能力，过量则会形成深能级复合中心，导致暗电流增大、响应速度下降。

        目前调控氧空位的方法多为生长后处理（如真空退火、等离子体处理），仅能影响材料表面或局部缺陷分布，难以实现整体缺陷均匀调控。而在氧化镓微米线生长过程中调控氧气流量，可精准控制整体氧空位浓度，但氧气流量与氧空位、表面吸附行为及探测性能的内在关联尚不明确，因此亟需开展相关研究，为高性能日盲探测器的性能优化提供新策略。

        高结晶性 Ga₂O₃ 微米线通过一步化学气相沉积法在蓝宝石衬底上合成。通过调控生长过程中的气体流量，有效控制了氧空位浓度。制备了基于单根微米线的日盲光电探测器，并在不同氧气流量条件下评估了其光电性能。在氧气流量为 2 sccm 条件下生长的器件表现出优异的性能。在 20 V 偏压和 255 nm 光照下，其响应度为 1.17 A/W，日盲 - 紫外抑制比为 49.7，日盲 - 可见光抑制比为 1.61×10³。相应的外量子效率和比探测率分别为 572 % 和 4.6×10¹² Jones。这种增强的性能归因于最佳的氧空位浓度，氧空位作为施主态增强光电流，同时微米线的高比表面积促进氧吸附 - 脱附机制，提高响应速度。本研究表明，生长过程中精确调控氧空位是制备高性能日盲光电探测器的有效策略。

        • 采用一步化学气相沉积法，通过调控生长过程中的 O₂ 流量，实现对单根 Ga₂O₃ 微米线氧空位浓度的整体均匀调控，区别于传统生长后处理仅能调控表面缺陷。

        • 明确了 O₂ 流量 — 氧空位浓度 — 表面吸附行为 — 光电性能之间的内在关联，揭示了氧空位浓度与器件性能的最优平衡关系。

        • 基于最优氧空位浓度（O₂ 流量 2 sccm）的单根 Ga₂O₃ 微米线日盲探测器，实现高响应度、高抑制比、高比探测率与快响应速度的综合优异性能。

        • 阐明了微米线高比表面积诱导的氧吸附 - 脱附机制对抑制持续光电导、提升响应速度的关键作用。

        通过调控 Ga₂O₃ 微米线生长过程中的氧气流量，有效调控了氧空位浓度。氧气流量降低导致氧空位增加，同时增强表面氧吸附。在氧气流量为 2 sccm 时，微米线在缺陷浓度与结晶质量之间达到最佳平衡。制备了单根 In-Ga₂O₃ 微米线 - In 日盲光电探测器，并系统评估了其光电性能。结果表明，适度增加氧空位可提供更多自由电子，使器件在光照下产生更强的光生电流，从而提高光电探测器的灵敏度。此外，表面氧物种相关的吸附 - 脱附过程促进载流子分离并抑制复合，提升了光响应速度。氧气流量为 2 sccm 的探测器表现出优异的光电探测性能，响应度为 1.17 A/W，日盲 / 紫外抑制比为 49.7，日盲 / 可见光抑制比为 1.61×10³。相应的外量子效率和比探测率分别达到 572 % 和 4.6×10¹² Jones。

        本工作受到了吉林省科技发展计划项目（20240302035GX）的支持。

图 1. Ga₂O₃ 微米线生长实验装置示意图。

图 2. 单根 Ga₂O₃ 微米线基日盲光电探测器的制备工艺流程及光学显微图。

图 3. 不同 O₂ 流量下 CVD 生长的 Ga₂O₃ 微米线光学图像。

图 4. 不同 O₂ 流量下生长的单根 β-Ga₂O₃ 微米线 SEM 图像：(a) 1 sccm，(b) 2 sccm，(c) 3 sccm，(d) 4 sccm。

图 5. 不同 O₂ 流量下生长的 Ga₂O₃ 微米线：(a) XRD 图谱，(b) PL 光谱。

图 6. 不同 O₂ 流量下生长的 β-Ga₂O₃ 微米线 XPS 图谱（a-d）及对应的 O1s 高分辨图谱（e-h）。

图 7. 20 V 偏压下测得的不同 O₂ 流量制备器件的 I-V 特性：(a) O₂-1 sccm，(b) O₂-2 sccm，(c) O₂-3 sccm，(d) O₂-4 sccm。

图 8. 10 V 偏压、254 nm 紫外光照下测得的 O₂-1 sccm、O₂-2 sccm、O₂-3 sccm、O₂-4 sccm 光电探测器瞬态光响应特性（a–d）；对应探测器单周期瞬态光响应拟合曲线（e–h）。

图 9. 20 V 偏压下测得的器件响应度曲线及对应对数坐标插图：(a) O₂-1 sccm，(b) O₂-2 sccm，(c) O₂-3 sccm，(d) O₂-4 sccm。

图 10. 20 V 偏压下测得的光电探测器性能参数：(a) EQE，(b) D*，(c) LDR，(d) NEP。

图 11. (a) 紫外光照下价带激发与氧空位电离释放导带电子的能带示意图；(b) 富氧空位条件下的能带结构示意图；(c) 暗态与光照下 Ga₂O₃ 微米线的吸附 - 脱附机制；(d) 单根 Ga₂O₃ 微米线的能带图。

DOI : 

doi.org/10.1016/j.matdes.2026.116231