【国内论文】长春工业大学、吉林建筑大学：基于 GZO/Cu/GZO 三明治复合电极的β-Ga₂O₃日盲成像紫外探测器

        由长春工业大学、吉林建筑大学的研究团队在学术期刊 Journal of Alloys and Compounds 发布了一篇名为 β-Ga₂O₃-based ultraviolet photodetector with GZO/Cu/GZO sandwich composite electrodes for solar-blind imaging（基于 GZO/Cu/GZO 三明治复合电极的 β-Ga₂O₃ 日盲成像紫外探测器）的文章。

        日盲紫外探测技术在导弹追踪、空间通信、火焰检测等国防与民用领域具备不可替代的应用价值，β-Ga₂O₃ 凭借 4.7–5.3 eV 的适宜禁带宽度、优异的化学稳定性、热稳定性与抗辐射能力，成为制备日盲紫外探测器的核心宽禁带半导体材料。目前主流 β-Ga₂O₃ 探测器多采用金属-半导体-金属结构，该结构制备工艺简单且易于集成，但传统金等金属电极透光性差，严重限制器件在透明光电器件与成像系统中的应用。透明导电氧化物电极虽具备高透光率，却存在导电能力不足的缺陷。TCO/金属/TCO 三明治复合电极可兼顾高透光与高导电特性，已在太阳能电池、储能器件中得到广泛应用，但该类复合电极在 β-Ga₂O₃ 日盲紫外探测器，尤其是成像型器件中的应用研究仍十分匮乏，现有方案难以同时实现低暗电流、高探测灵敏度与良好成像均匀性，开发适配 β-Ga₂O₃ 体系的高性能三明治复合电极及成像探测器，成为该领域亟待解决的技术难题。

        β-Ga₂O₃ 基日盲紫外探测器凭借巨大应用潜力受到广泛关注。该团队首次设计并制备了一款适用于日盲成像的 β-Ga₂O₃ 紫外探测器，器件采用 GZO/Cu/GZO 三明治复合电极结构。研究采用金属有机化学气相沉积技术在蓝宝石衬底上外延生长 β-Ga₂O₃ 薄膜，随后通过磁控溅射工艺制备三明治复合电极。将优化后的器件与传统金电极探测器进行对比测试，在 254 nm 紫外光、15 V 偏压条件下，该器件暗电流低至 0.4 nA，光暗电流比高达 3.83 ×10⁴，比探测率达到 1.94 ×10¹³ Jones，展现出优异的紫外探测性能。为验证器件的成像实用性，研究搭建 4 × 4 探测器阵列，成功实现高对比度目标成像。该研究为氧化镓基复合电极光电探测器的设计提供了可行方案，推动其在日盲紫外成像与光电器件集成领域的实际应用。

        采用全新工艺制备出搭载 GZO/Cu/GZO 三明治复合电极的 β-Ga₂O₃ 日盲紫外探测器。

        该探测器具备高光暗电流比、高比探测率与低暗电流的优异综合性能。

        将该探测器集成阵列化，实现了性能优异的日盲紫外成像功能。

        综上，该团队首次研制出搭载 GZO/Cu/GZO 三明治透明复合电极的金属-半导体-结构 β-Ga₂O₃ 日盲成像紫外探测器。研究结合金属有机化学气相沉积与多层磁控溅射工艺，在蓝宝石衬底生长 β-Ga₂O₃ 薄膜并制备三明治复合电极。得益于界面的表面钝化作用，该探测器在 15 V 偏压下暗电流低至 0.4 nA，光暗电流比可达 3.83 ×10⁴，比探测率高达 1.94 ×10¹³ Jones。研究搭建 4 × 4 探测器阵列并完成日盲成像测试，成功获取高对比度成像画面。本研究提出了制备氧化镓基三明治复合电极探测器的新方法，证实该类器件在日盲成像系统中具备良好的应用前景。

        本研究得到吉林省自然科学基金（项目编号：YDZJ202501ZYTS638）、吉林省教育厅科研项目（项目编号：JJKH20250694KJ、JJKH20250695KJ）的资助。

图 1. 采用 GCG 复合电极的 β-Ga₂O₃ 金属-半导体-金属型探测器制备工艺示意图。

图 2. (a) 所制备 β-Ga₂O₃ 薄膜的 X 射线衍射图谱；(b) β-Ga₂O₃ 薄膜与 GCG 薄膜的光透过光谱，插图为薄膜的塔乌图谱；(c) GCG 薄膜表面俯视扫描电镜图；(d) β-Ga₂O₃ 薄膜表面俯视扫描电镜图。

图 3. (a) 不同铜层沉积时长下 GCG 复合电极探测器的线性电流-电压曲线，插图为暗态下曲线；GCG 电极与金电极探测器的对数电流-电压曲线：(b) 254 nm 光照及暗态条件下，(c) 254 nm 与 365 nm 光照条件下；(d) 光暗电流比、(e) 比探测率、(f) 噪声等效功率变化曲线。

图 4. (a) 去除表层 GCG 电极后 β-Ga₂O₃ 薄膜界面的氧 1s X 射线光电子能谱；(b) 254 nm 光照下 GCG 电极探测器的电流-时间曲线；(c) 254 nm 光照下 GCG 电极探测器的归一化响应曲线；(d) 不同光强下 GCG 电极探测器的电流-时间曲线；(e) 响应度随激发光强的变化关系，插图为 10 V 偏压、254 nm 光照下光电流随光强变化的对数曲线；(f) GCG 复合电极 β-Ga₂O₃ 探测器的能带示意图。

图 5. (a) β-Ga₂O₃ 基探测器结构示意图；(b) 不同偏压下探测器的电流-时间曲线；(c) 经过 40 次循环测试以及室温存放 40 天后的探测器电流-时间曲线。

图 6. (a) 以 GCG 复合电极氧化镓探测器为感光像素的成像系统示意图；(b) 无光照条件下的成像结果；(c) 全光照条件下的成像结果；(d) 经掩模照射后的成像结果；(e) 复合电极与单一电极探测器的电流稳定性对比；(f) 阵列器件光暗电流比分布示意图；(g) 阵列重构得到的灰度图像。

DOI：

doi.org/10.1016/j.jallcom.2026.189105