【会员论文】Rare Metals丨湖北大学、湖北九峰山实验室团队提出镁掺杂缺陷调控策略，助力氧化镓日盲紫外探测器性能突破

        由湖北大学、湖北九峰山实验室的研究团队在学术期刊 Rare Metals 发布了一篇名为 Doping-Engineered Modulation of Oxygen Vacancy Formation Energy in Gallium Oxide for High-Performance Solar-Blind UV Photodetectors（通过掺杂调控氧化镓中氧空位形成能，用于制备高性能日盲紫外光探测器）的文章。

        Rare Metals 为 SCI 一区 TOP 期刊，由中国有色金属学会与 Wiley 联合出版，聚焦稀土、宽禁带氧化物、光电半导体、新型功能器件等原创实验与理论研究，收录掺杂调控、缺陷工程、紫外探测器方向高质量论文，在氧化镓光电器件领域具备较高行业认可度，同时收录大量国内高校完整器件工艺与第一性原理结合的系统性工作。

        日盲紫外探测器可屏蔽可见光干扰，在电网电晕检测、火情预警、紫外保密通信、水下探测等军民领域具备不可替代优势，β-Ga₂O₃ 拥有 4.6–4.9 eV 本征日盲禁带宽度，是该类器件最优候选材料。原生 β-Ga₂O₃ 薄膜生长过程极易生成氧空位缺陷，氧空位作为浅施主会大幅抬高低暗电流，同时作为深陷阱捕获光生载流子，造成器件响应速度迟缓、成像清晰度差。现有掺杂改性方案多采用氮、锌、锆元素掺杂，仅能小幅抑制缺陷，无法同步实现超高光暗电流比、超快响应与高比探测；PLD、ALD 等制备设备成本高昂，溶胶凝胶法易引入有机杂质，缺少低成本 CVD 工艺配套的缺陷调控掺杂体系。目前各类镁掺杂氧化镓研究仅单独测试电学性能，未结合第一性原理定量解析氧空位形成能变化规律，缺少缺陷抑制、能带展宽、成像验证一体化完整研究体系，成为高性能低成本日盲探测器产业化关键研究空白。

        日盲紫外探测器在紫外通信、火情预警等应用场景中起到关键作用。氧化镓（Ga₂O₃）凭借宽禁带、低成本优势成为极具前景的材料，但氧空位（V_O）缺陷会造成器件暗电流高、响应速度慢等问题。本研究提出镁掺杂缺陷调控策略，通过低成本化学气相沉积（CVD）制备镁掺杂 β-Ga₂O₃（β-Ga₂O₃）薄膜光探测器。镁掺杂能够抑制氧空位生成并拓宽禁带宽度，大幅提升光电探测性能。实验结果表明，镁掺杂可使氧空位浓度降低 23%，材料禁带宽度由 4.72 eV 拓宽至 4.87 eV。优化后器件光暗电流比可达 10⁶（本征器件仅为 10⁴），20 V 偏压下暗电流低至 2.67 ×10⁻¹² A，比探测率 1.576 ×10¹⁴ Jones，上升/下降响应时间缩短至 14.7 ms/7 ms（未掺杂器件为 318.1 ms/187.5 ms）。该探测器可实现紫外单点扫描成像，清晰识别 “H”“U”“I” 字母图案，且持续 1500 s 光照下性能稳定。本研究将缺陷工程与低成本制备工艺结合，为高性能日盲紫外探测器提供经济可靠的技术方案。

        ①提出基于低成本 CVD 的镁掺杂缺陷调控方案，提升氧空位形成能，氧空位浓度降低 23%。

        ②实现禁带宽度由 4.72 eV 拓宽至 4.87 eV，器件光暗电流比达 10⁶，20 V 下暗电流低至 2.67 ×10⁻¹² A。

        ③器件上升/下降响应时间缩短至 14.7 ms/7 ms，大幅消除氧空位深陷阱对载流子的俘获效应。

        ④完成第一性原理理论验证与紫外单点扫描成像测试，证实镁掺杂氧化镓日盲探测器实际应用潜力。

        本研究采用简化化学气相沉积工艺制备镁掺杂 β-Ga₂O₃ 薄膜与金属-半导体-金属型紫外光探测器。借助 X 射线光电子能谱、电子顺磁共振、拉曼光谱等实验表征手段证实，镁掺杂可显著抑制氧化镓内部氧空位生成；第一性原理仿真进一步阐明内在机理：镁元素掺杂提升氧空位形成能，从而抑制氧空位缺陷产生。制备的 β-Ga₂O₃:Mg 探测器具备优异综合性能：20 V 偏压下暗电流低至 2.67 ×10⁻¹² A，光暗电流比约 10⁶，上升/下降响应时间分别为 14.7 ms、7 ms，比探测率达 1.576 ×10¹⁴ Jones。器件持续 1500 s 光照下无明显性能衰减，工作稳定性优异。单点扫描成像测试可清晰识别 “H”“U”“T” 字母图案，验证该器件商业化应用潜力。综上，本研究完善氧化镓掺杂改性体系，兼顾高比探测率与超快响应性能，为优化日盲紫外探测器性能提供全新技术路线。

        本研究得到湖北省重点专项（项目编号 2023BAA009）、湖北省自然科学基金（项目编号 2023AFB623）资助。