【国内论文】Optical Materials丨重庆交通大学、中科院重庆研究院等：氧退火对非晶氧化镓深紫外光电探测器光电性能与长期稳定性的影响

        由重庆交通大学、中国科学院重庆绿色智能技术研究院、中国科学院大学重庆学院的研究团队在学术期刊 Optical Materials 发布了一篇名为 Effect of oxygen annealing on the optoelectronic performance and long-term stability of amorphous Ga₂O₃ deep-ultraviolet photodetectors（氧退火对非晶氧化镓深紫外光电探测器光电性能与长期稳定性的影响）的文章。

        高性能日盲深紫外光电探测器因极低背景噪声，在工业与国防领域备受关注。退火是实现高性能氧化镓基深紫外探测器件的关键工艺，可显著提升结晶质量与光电性能，但退火对器件长期稳定性的影响尚未被充分阐明。非晶氧化镓具备大面积均匀、低温兼容、成本低等优势，但其器件性能受本征结构无序与高缺陷态密度限制，氧空位缺陷会导致器件性能衰减、稳定性下降。本文通过精确调控退火气氛氧分压，系统研究氧空位缺陷对非晶氧化镓薄膜光电特性的影响，协同优化器件效率与可靠性。

        高性能、高稳定性的日盲深紫外（DUV）光电探测器（PDs）由于其极低的背景噪声，在工业和国防应用中受到了广泛关注。退火是制备高性能氧化镓基深紫外光电器件不可或缺的工艺，可显著改善结晶质量并提升整体光电性能。然而，退火对氧化镓基光电探测器长期稳定性的影响尚未得到充分阐明。本文系统研究了本征氧空位相关缺陷对磁控溅射沉积非晶氧化镓薄膜光电特性的影响。通过精确控制退火气氛中的氧分压，暗电流被显著抑制，光电转换效率与日盲探测单元的长期工作稳定性大幅提升。在优化退火条件（Ar:O₂=100:3）下，氧化镓薄膜具有最低表面粗糙度（Rₐ=1.45 nm）、22.5 nA 的低暗电流、1.02 A W⁻¹ 的高响应度、4.64×10¹² Jones的探测率，以及 17 ms 和 8 ms 的快速上升/下降时间。与纯氩气退火相比，100 sccm Ar 加 3 sccm O₂ 气氛退火的器件表现出更优异的环境稳定性，在空气中放置7天后性能基本保持不变。X射线光电子能谱（XPS）分析表明，退火过程中提高氧分压可有效抑制氧空位，从而提升器件稳定性。结果表明，适中氧分压退火可有效调控氧空位相关缺陷、调制界面载流子动力学，同步提升氧化镓深紫外光电探测器的性能与稳定性，为下一代高性能深紫外探测器件的研制提供重要指导。

        ·首次系统研究氧分压退火对非晶 Ga₂O₃ 深紫外探测器长期稳定性的影响。

        ·优化 Ar:O₂=100:3 退火条件，实现暗电流显著抑制、表面粗糙度最低。

        ·器件实现 1.02 A/W 响应度、4.64×10¹² Jones 探测率、17/8 ms 快速响应。

        ·空气中放置 7 天性能基本不变，长期稳定性大幅提升。

        ·XPS 证实氧退火可有效填充氧空位，调控界面载流子动力学与缺陷态。

        采用射频磁控溅射在蓝宝石衬底上制备非晶氧化镓薄膜，系统研究 Ar:O₂ 退火气氛对其结构与光电性能的影响。提高氧分压可有效减少氧空位、促进晶格有序化、改善表面形貌，从而抑制暗电流并提升光响应稳定性。Ar:O₂=100:3 退火的薄膜表现出最均衡的性能，在空气中放置七天后光电流与探测率基本保持不变。结果表明，精确调控退火氧分压可优化缺陷态、抑制陷阱辅助复合、调控界面光物理过程，为制备高性能、高稳定性宽禁带深紫外光电探测器提供可靠途径。

        本研究得到重庆市北碚区科研项目（2025SHSYFZ-27）、重庆市博士后科研项目特别资助（2024CQBSHTB1005）、国家自然科学基金青年科学基金项目（C类）（No. 62405321）、中国博士后科学基金资助项目（GZC20250556）的资助。

图 1  Ga₂O₃ 薄膜的形貌与表面粗糙度表征。(a) 沉积态、(b) Ar 退火、(c) O₂-1.5、(d) O₂-3、(e) O₂-4.5 退火薄膜的表面 SEM 图像；插图为对应截面 SEM 图像。(f) 优化退火 Ga₂O₃ 薄膜的代表性 2D 与 3D AFM 形貌图。(g) 所有样品平均表面粗糙度（Rₐ）统计对比，误差棒表示标准差（SD）。

图 2  (a) 紫外 - 可见吸收光谱；(b) 不同气氛退火 Ga₂O₃ 薄膜由吸收光谱得到的 Tauc 图；(c) XRD 图谱。

图 3  Ga₂O₃光电探测器的光电特性与 7 天环境稳定性。(a–d) 初始性能：(a) 暗态 I–V 曲线（插图：器件结构示意图），(b) 254 nm 紫外光照（68 μW）下的 I–V 曲线，(c) 20 V 偏置下瞬态光响应（I–T）曲线，(d) O₂-3 样品在 10 V 偏置下的上升 / 下降时间拟合。(e–h) 空气中放置 7 天后的环境稳定性：(e) 暗态 I–V 曲线，(f) 254 nm 光照下 I–V 曲线，(g) 瞬态光响应曲线，(h) O₂-3 样品的上升 / 下降时间拟合。所有 I–V 扫描范围为−20 V 至 20 V。

图 4 20 V 偏置下 Ga₂O₃ 器件在空气中 7 天光响应性能变化：(a) 光电流，(b) 氧退火样品暗电流放大图（插图为所有样品暗电流变化），(c) 响应度 R，(d) 探测率 D*，(e) 外量子效率 EQE，(f) 噪声等效功率 NEP。

图 5 (a) 不同 Ar:O₂ 比例退火的非晶 Ga₂O₃光电探测器在 254 nm 深紫外光照下光电流随入射光功率的变化及提取的幂指数 α。(b) 优化 O₂-3 器件的光电流、(c) 探测率 D*、(d) 响应度 R 随光功率的变化

图 6 Ga₂O₃ 薄膜的 XPS 分析：(a) 沉积态、Ar 退火、O₂-3 样品的全谱；(b) Ga 2p 高分辨谱；(c) 沉积态与退火样品的 O 1s 高分辨谱及分峰拟合（晶格氧 OI、氧空位相关氧 OII）；(d) OI 与 OII 峰面积及提取的氧空位比例 OII/(OI+OII)。空气中放置 7 天后：(e) O 1s 高分辨谱；(f) 对应峰面积分析与氧空位比例；(g) 退火过程中氧引入调控 Ga₂O₃ 中 Vₒ的机理示意图，展示氧原子填充与空位相关缺陷态抑制。

DOI：

10.1016/j.optmat.2026.118199