【国内论文】ASS丨中山大学：Ga₂O₃/IGZO 光电晶体管用于高灵敏度日盲紫外探测应用

        由中山大学的研究团队在学术期刊 Applied Surface Science 发布了一篇名为 Ga₂O₃/IGZO phototransistors for highly sensitive solar blind ultraviolet detection applications（Ga₂O₃/IGZO光电晶体管用于高灵敏度日盲紫外探测应用）的文章。

        日盲紫外波段（200–280 nm）背景噪声低、信噪比高、抗干扰能力强，在电网监测、火灾探测、环境监测与深空探测等领域应用广泛。氧化镓（Ga₂O₃）具有~4.9 eV 超宽带隙、优异的化学/热稳定性、可控的制备成本与良好的抗辐射性，是理想的日盲紫外探测材料；但本征高电阻率限制了其光生电流，制约器件性能。现有 Ga₂O₃ 基异质结探测器响应度偏低，亟需开发高效载流子调控策略。

        氧化镓（Ga₂O₃）已成为日盲紫外（UV）探测器的理想候选材料，在电网监测、火灾探测、环境监测和深空探测等领域应用前景广阔。然而，Ga₂O₃ 材料固有的高电阻显著限制了传统光电导探测器的性能。本研究报道了一种以氧化镓（Ga₂O₃）薄膜为基底、表面薄涂铟镓锌氧化物（IGZO）作为有源层的光电晶体管。结果表明，退火后的 Ga₂O₃/IGZO 有源层通过提高 Ga₂O₃ 中的载流子浓度并优化能带结构排列，显著增强了光电流产生。该光电晶体管实现了 303.7% 的高外量子效率、1.8×10³ A/W的高响应度、1.5×10¹³ Jones的高探测率，以及 8.1×10⁷ 的高光暗电流比。所报道的 Ga₂O₃/IGZO 日盲紫外光电晶体管为开发高性能、高可靠性的日盲紫外光电探测器提供了一条极具前景的路径。

        · 提出 50 nm Ga₂O₃/50 nm IGZO 复合有源层结构，退火后层间界面消失、元素完全互溶，形成均匀非晶复合膜。

        · IGZO 引入 In、Zn 施主杂质，显著提升 Ga₂O₃ 载流子浓度、降低暗电流，优化能带排列与载流子输运。

        · 器件性能显著优于纯 Ga₂O₃ 探测器：响应度 1.8×10³ A/W、外量子效率 303.7%、探测率 1.5×10¹³ Jones、光暗电流比 8.1×10⁷。

        · 证实氧空位与掺杂协同增强光电转换，为高性能日盲紫外探测器提供低成本、大面积制备新方案。

        综上所述，本研究对 50 nm Ga₂O₃ 层与 50 nm IGZO 层构成复合沟道的光电晶体管电学与光响应特性进行了全面分析。退火处理有效融合了 Ga₂O₃ 与 IGZO 的形貌特征，使两层材料间界面难以区分。这种独特的结构配置显著提高了 Ga₂O₃ 中的载流子浓度，并优化了光电探测器的能带结构排列，是提升光电转换效率的关键因素。所制备的光电晶体管展现出优异的电学性能，开关电流比达 10⁷，阈值电压约为 10 V。此外，器件表现出卓越的光响应特性，包括 303.7%的高外量子效率、8.1×10⁷ 的高光暗电流比、254 nm 下 5 V 偏置时 1.8×10³ A/W 的高响应度，以及 1.5×10¹³ Jones 的高探测率。上述结果表明， Ga₂O₃/IGZO 日盲紫外光电晶体管在大面积、高灵敏度探测应用中具有巨大潜力。

        本研究获广东省重点领域研发计划（批准号：2023B0101200013）、国家自然科学基金（批准号：62271512、62301620）、广东省自然科学基金（批准号：2024A1515012852）及中央高校基本科研业务费资助。

图 1 材料性能表征。(a) 未退火沉积态样品的截面形貌；(b) 退火后样品的截面形貌；(c) 吸收光谱；(d) 光学带隙与吸收系数估算；(e-g) Ga₂O₃、IGZO 及 Ga₂O₃/IGZO 中 O1s 峰的分峰拟合；(h~i) Ga3d 和 Zn2p 的 XPS 谱图。

图 2 TEM 分析。(a) Ga₂O₃/IGZO 层的 HAADF 图像；(b) 线扫描结果；(c-h) Si、In、O、Zn、Ga 元素分布；(i-j) 高分辨 TEM 图像及对应的 FFT 花样。

图 3 (a) Ga₂O₃/IGZO 光电晶体管结构及测试电路示意图；(b~d) Ga₂O₃/IGZO 光电晶体管的转移特性、欧姆特性及输出特性。

图 4 (a~b) Ga₂O₃/IGZO 与 Ga₂O₃光电晶体管的光谱响应度；(c) 254 nm 下响应度 - 漏电压曲线；(d-e) Ga₂O₃/IGZO 与 Ga₂O₃的光电转移特性；(e) 254 nm 和 400 nm 光照下的 ID-t 曲线。

图 5 光电晶体管能带结构示意图。(a-c) Ga₂O₃与 Ga₂O₃/IGZO 光电晶体管的栅控模型；(d-f) Ga₂O₃与 Ga₂O₃/IGZO 有源层的光电转换模型。

DOI：

10.1016/j.apsusc.2026.167209