【会员论文】西安电子科技大学郝跃院士、韩根全教授等团队：用于高性能抗日盲光紫外线光电探测器的单维宽禁带半导体β-Ga₂O₃纳米棒

        由西安电子科技大学郝跃院士、韩根全教授联合桂林理工大学、桂林电子科技大学、西北工业大学的研究团队在学术期刊 Nanoscale 发布了一篇名为One-Dimensional Wide-Bandgap Semiconductor β-Ga₂O₃ Nanorods for High-Performance Solar-Blind Ultraviolet Photodetectors（用于高性能抗日盲光紫外线光电探测器的单维宽禁带半导体 β-Ga₂O₃ 纳米棒）的文章。

        日盲紫外探测（200–280 nm）在火焰监测、导弹预警、臭氧检测、空间通信等领域不可或缺，器件需具备高灵敏度、低暗电流、快速响应等特性，且适配低成本、可规模化制备。β-Ga₂O₃ 作为超宽禁带半导体（~4.8 eV），可完全抑制可见光 / 近紫外吸收，天然适配 254 nm 日盲波段，同时具备高击穿场强、优异化学与热稳定性。一维纳米棒结构因高长径比可强化光吸收、提升载流子输运效率，是高性能光电器件的理想结构。现有一维 β-Ga₂O₃ 制备方法多流程复杂、难以规模化，低压化学气相沉积（LPCVD）工艺简单、可大面积生长，但沉积产物普遍存在氧空位缺陷，会提升背景载流子浓度、增大暗电流、引入陷阱态导致响应变慢与持续光电导效应。通过氧空位缺陷工程调控材料光电性能，是实现高性能日盲紫外探测器的关键路径。

        该团队采用低压化学气相沉积法在 SiO₂/Si 衬底上以镓和氧气为源可控生长 β-Ga₂O₃ 纳米棒薄膜，并进行生长后氧退火处理。结构表征证实纳米棒具有高结晶度单斜 β 相，表面化学分析表明退火后与空位相关的 O 1s 成分显著降低。基于退火后纳米棒的金属-半导体-金属日盲紫外探测器在 254 nm 光照下，暗电流达 10⁻¹⁰ A 量级，光暗电流比高达 6×10³，上升 / 下降时间分别为 0.30/1.61 s。性能提升源于有效空位钝化，降低了自由载流子背景、抑制陷阱辅助复合并改善纳米棒薄膜的载流子输运。本研究建立了 LPCVD 结合氧退火作为制备 β-Ga₂O₃ 基日盲探测器的低成本、可规模化路线，为宽禁带氧化物半导体的缺陷工程策略提供实践指导。

        ·采用 LPCVD 在 SiO₂/Si 衬底上可控制备高结晶度、交织多孔状一维 β-Ga₂O₃ 纳米棒薄膜，工艺简单、可规模化。

        ·提出高温氧退火实现氧空位高效钝化，空位相关 O 1s 成分从 23.66% 降至 8.25%，且不改变材料物相与形貌。

        ·钝化后探测器暗电流抑制至 10⁻¹⁰ A，光暗电流比提升至 6×10³，上升 / 下降时间达 0.30/1.61 s，响应速度显著加快。

        ·建立氧空位-载流子输运-光电性能的关联机制，为宽禁带氧化物日盲探测器缺陷调控提供普适策略。

        该团队采用低成本低压化学气相沉积法在 Si/SiO₂ 衬底上制备无规取向、交织成多孔层的 β-Ga₂O₃ 纳米棒薄膜；SEM 与 EDS 分析证实薄膜形貌与 Ga/O 分布，HRTEM 解析出 0.187、0.236、0.197 nm 的晶面间距，对应单斜 β-Ga₂O₃ 的 (510)、(-311)、(-312) 晶面。XRD 与 Raman 表征证实 β 相结构且氧退火后保持物相稳定。O 1s XPS 显示空位相关成分显著降低，表明氧空位得到有效钝化。基于退火薄膜的 MSM 器件在 254 nm 光照、10 V 偏压下，暗电流抑制至～10⁻¹⁰ A，光暗电流比达 6×10³，上升 / 下降时间快至 0.30 s/1.61 s。综上，LPCVD 生长结合氧退火是连接材料层面缺陷控制与器件性能提升的可扩展有效方法，为高性能日盲深紫外探测器提供实用途径。

        国家自然科学基金（Grant Nos. 62574159, 62090033, 62293522）；浙江省自然科学基金（LDT23F0402, LDT23F04024F04）；陕西省重点研发计划（Grant No. 2025GHYBXM-050）；中国博士后创新人才支持计划（BX20230281）；西安电子科技大学交叉探索专项（TZJH2024064）；中国博士后科学基金（2024M752520）；福建省自然科学基金（No. 2025J01327）；福州市科技计划项目（2024-SG-008）；福州海洋研究院项目（No. 2024F17）

图 1 (a) LPCVD 在 SiO₂/Si 上生长 β-Ga₂O₃ 纳米棒薄膜示意图；(b) β-Ga₂O₃ 纳米棒薄膜 SEM 图；(c) 单根纳米棒 Ga 和 O 元素 EDS 面分布图；(d) 纳米棒 HRTEM 图

图 2 (a) 生长态与氧退火 β-Ga₂O₃ 纳米棒薄膜 XRD 图；(b) β-Ga₂O₃ 纳米棒薄膜拉曼光谱；(c) 生长态与氧退火薄膜 O 1s XPS 谱；(d) 氧退火前后 β-Ga₂O₃ 纳米棒 XPS 全谱

图 3 (a) MSM 光电探测器结构示意图；(b) 器件阵列光学显微图；(c) 生长态器件在暗态与 254 nm 光照下 I-V 特性；(d) 氧退火器件在暗态与 254 nm 光照下 I-V 特性

图 4 (a) 10 V 下 254 nm 光照光功率密度递增时生长态器件 I-t 曲线；(c) 10 V 下 254 nm 光照光功率密度递增时氧退火器件 I-t 曲线；(b) 254 nm、10 V 下生长态器件单次开关响应；(d) 254 nm、10 V 下氧退火器件单次开关响应

DOI ： 

10.1039/D6NR00942E