【会员论文】西电郝跃院士、张进成教授联合西安邮电大学陈海峰教授&浙江大学&江南大学：通过综合工艺优化提升氧化镓基日盲光电探测器性能

        由西安电子科技大学郝跃院士、张进成教授、西安邮电大学陈海峰教授联合浙江大学、江南大学等的研究团队在学术期刊 Materials Science in Semiconductor Processing 发布了一篇名为Enhancement of gallium oxide-based solar-blind photodetectors through comprehensive process optimization（通过综合工艺优化提升氧化镓基日盲光电探测器性能）的文章。

        由于大气臭氧层的强吸收，波长小于 280 nm 的紫外辐射在地面附近形成了日盲区。这一特性使得日盲探测器在导弹预警、火焰检测和空间通信等领域具有极高的信噪比和探测精度，成为近年来的研究热点。相比传统的 Si 基或 GaN 基探测器，氧化镓（Ga₂O₃）凭借其约 4.9 eV 的超宽禁带、8 MV/cm 的高击穿场强以及优异的化学稳定性，成为下一代日盲探测器的理想材料。此外，还具有低成本溶液法制备的潜力。尽管已有研究通过工艺优化取得了进展，但光电探测器的综合性能仍需进一步提高。现有研究多侧重于单一工艺参数，往往导致某一性能提升的同时忽略了整体性能的平衡。由于缺乏统一的综合性能评估指标，很难在相同测试条件下直接对比不同工艺方案的优劣，阻碍了器件的定量化评价。退火工艺（影响结晶度、缺陷密度及界面质量）和器件结构（决定载流子传输路径和复合几率）是决定光电转换效率的核心因素 。本研究旨在通过系统调节这些参数，并引入综合性能因子（FOM3），为实现高性能氧化镓探测器提供理论与实验支撑。

        日盲紫外线探测器的高性能与其制造工艺和器件结构密切相关。然而，现有研究尚未对这两个方面对性能的综合影响进行分析。本文通过多步骤工艺中的精确温度控制以及器件内电荷传输间距的优化，显著提升了器件性能。此外，采用性能因子 FOM3 对多项性能指标进行统一定量评估，从而能够更快速地比较器件的综合性能。结果表明，在 500 °C 下退火的器件表现出最佳的综合性能。在 254 nm 紫外线照射下，其光暗电流比达到 9.56 × 10⁸，响应度为 3.97 × 10³ A/W， 探测率为 3×10¹⁴ Jones，外部量子效率为 1.94×10 ⁴%，综合性能因子 FOM3 高达 1.63×10 ¹³。同时，经 900 °C 退火处理的器件响应时间提高了近 40 倍，这为 SBUV 探测器的优化设计和实际应用提供了启示。

        •研究了制备工艺和器件结构对光探测器性能的影响，以优化其性能。

        •退火温度会影响 Ga₂O₃ 薄膜的结晶度及氧空位浓度。

        •缩小指状电极间距可缩短载流子传输距离，从而增强光电流。

        •采用 FOM3 指标来定量评估灵敏度、能量转换效率与响应速度之间的平衡。

        在本研究中，利用原子层沉积（ALD）技术制备了高性能的 Ga₂O₃ 日盲光电探测器。系统研究了退火温度和电极间距对器件性能及结晶度的影响。研究发现，在 500 °C 下退火的 Ga₂O₃ 薄膜具有最佳的氧空位浓度和表面平整度，这能显著提高载流子浓度和界面接触质量。因此，该器件在254 nm紫外线照射下表现出更优异的综合性能：PDCR达到 9.56 × 10⁸，D* 为 3 × 10¹⁴ Jones，EQE 高达 1.94 × 10⁴%，R 值达到 3.97 × 10³ A/W。通过提出综合性能因子  FOM3，对器件在灵敏度、转换效率和响应速度方面的多维性能优势进行了定量评估。数据分析表明，在 500 °C 下退火的器件通过调节薄膜的结晶度和缺陷态分布，在高响应率与低暗电流之间实现了平衡，从而具有最高的综合性能。相比之下，经 900 °C 退火的器件由于氧空位浓度的优化，其响应时间提高了近 40 倍。本研究的结果不仅为高性能 Ga₂O₃ 日盲紫外线探测器的开发提供了重要参考，也为宽带隙半导体光电子器件的工艺优化和性能评估提供了新思路。

        作者感谢中国青年创业就业基金会、人工智能创新基金、陕西省教育厅科学研究计划项目（23JK0676）、 陕西省自然科学基础研究专项（2024JC-YBQN-0731）以及国家自然科学基金（62204203）在协助本研究寻找合作者方面提供的支持。

图1. (a) 器件工作原理示意图；(b) 器件的光学照片；(c) 器件的制备过程；(d) 不同退火温度对结晶度的影响。

图2. (a) XRD图谱，(b) AFM图像，(c) 拉曼光谱，(d) Ga 3d X射线光电子能谱，(e) O 1s X射线光电子能谱。

图3. (a) 5V 电压下不同温度下的光电流（插图显示了间距为 5 μm 时不同退火温度下的光电流），(b) 5V 电压下不同器件电极间距下的光电流，(c) 间距为 5 μm 时不同退火温度下的 I-T 特性， (d) 不同指状电极间距下的 I-T 特性，(e) 示意图。

图4. (a) 不同退火温度下电极间距为 5 μm 的薄膜器件的电光转换效率 (EQE) 和 D* 值，(b) 500 °C 退火温度下不同电极间距的薄膜的 EQE 和 D* 值，(c) 不同退火温度下电阻 (R) 随光功率密度的变化，(d) 不同退火温度下电极间距为 5 μm 的器件的电阻 (R)， (e) 不同退火温度下光导增益与探测率的关系，(f) 退火温度与衰减时间 (τd) 的关系，(g) 退火温度与 FOM3 的关系。

图5. (a) PDCR 与响应度与文献报道值的对比，(b) PDCR 与 τd 与文献报道值的对比，(c) PDCR 与 D* 与文献报道值的对比。

DOI：

doi.org/10.1016/j.mssp.2026.110693