经过光波退火处理的a-Ga?O?光敏晶体管具有创纪录的特定检测灵敏度（>101? Jones），适用于弱紫外光的检测

《Applied Surface Science》：Lightwave-annealed a-Ga 2O 3 phototransistors with record specific detectivity (>1018 Jones) for weak-UV detection

本研究提出光波退火工艺优化非晶氧化镓薄膜质量，降低V_O缺陷密度，拓宽禁带宽度至4.9 eV，提升弱紫外（0.741 μW/cm2）下光敏晶体管响应度达4000倍，检测度超过101? Jones，响应时间缩短一个数量级。

　　

唐慧泽|任俊彦|程一婷|徐成福|吴宏飞|翟月|熊宇婷|徐阳|孙志硕|梁凌燕|韩修迅|曹洪涛

江西科技大学材料科学与技术学院光电材料与器件研究所，中国赣州341000

摘要

非晶氧化镓（a-Ga₂O₃）光敏晶体管在太阳盲紫外（SBUV）探测方面具有巨大潜力，但其性能受到高缺陷密度和较差载流子传输能力的限制。为了解决这一关键问题，本研究引入了光波退火作为后处理方法，以有效改善a-Ga₂O₃薄膜的质量。与真空退火相比，优化后的光波退火方法显著降低了V_O含量，拓宽了带隙，并提高了相对质量密度，表明薄膜更加致密且质量更好。这种优化策略使得光敏晶体管在弱紫外光照（0.741?μW/cm²）下的响应度提高了约4000倍，比灵敏度（D*）超过了10¹⁸ Jones，并将响应时间缩短了一个数量级。这项工作不仅在弱紫外光探测中实现了高灵敏度和高响应度，还阐明了光波退火调节V_O含量的机制。

引言

太阳盲紫外光探测器（SBUV PDs）的工作波长范围为200–280?nm（“太阳盲区域”）。该区域在地球表面几乎不受太阳辐射的影响[1]、[2]、[3]。这一特性使得它们能够在复杂的干扰环境中实现高精度、低噪声的紫外光探测，具有出色的目标识别和感知能力。因此，高响应度和高灵敏度的SBUV PDs在精密测量和分析领域发挥着不可替代的作用：在环境和气象监测中，它们用于捕捉臭氧洞观测和紫外线指数监测中变化缓慢但极其微弱的信号；在生物化学传感和光谱学中，它们负责检测由紫外光激发的微弱荧光或磷光；在弱光紫外成像和实验室精密光学测量中，它们通过低噪声背景来识别和感知目标；在弱光紫外成像和实验室精密光学测量中，它们通过有效积累微弱光子信号来生成高质量图像和数据。

实现这些高性能探测的关键因素是选择合适的半导体材料。宽带隙半导体因其能带结构与SBUV光子的能量相匹配而被认为是理想的选择[4]。Ga₂O₃具有4.4–4.9?eV的超宽带隙和约10⁵?cm^?1的吸收系数。无需复杂处理，它就在深紫外波段表现出出色的响应度和灵敏度，具有相当大的实际应用价值[5]、[6]、[7]、[8]。同时，Ga₂O₃在极端条件下的性能也非常稳定[9]。高温、高压和强辐射难以改变其化学性质，使其成为深紫外PDs的理想材料[10]、[11]、[12]。在多种探测器配置中（包括MSM [13]、[14]、[15]、[16]、[17]、异质结 [18]、[19]、[20]、TFT [21]、[22]、[23] 和阵列模型 [24]、[25]、[26]），光敏晶体管具有独特优势：其三端结构无需复杂的外围电路即可完成信号放大和调制，简化了制备过程；更重要的是，栅极电压（V_G）可以灵活调节，从而精确控制半导体通道的导电状态。

Ga₂O₃在光电子学领域具有巨大潜力，但其实际应用仍需克服一些重大障碍。目前，基于晶体Ga₂O₃（c-Ga₂O₃）的器件通常依赖高温退火工艺来获得高结晶质量。这种工艺的高复杂性和成本限制了其在柔性电子器件中的应用[27]。更严重的是，c-Ga₂O₃对缺陷的容忍度很低。即使是微量的微观结构缺陷也会导致严重的载流子散射和捕获效应，严重影响器件的载流子传输性能和稳定性[28]、[29]、[30]。为了解决这些问题，最近的研究开始探索a-Ga₂O₃的优势。其低温制备工艺与柔性基底具有很好的兼容性，有利于开发低成本、可集成的柔性电子设备。然而，非晶材料的固有结构无序导致高密度的缺陷状态（如V_O），从而降低了载流子迁移率和响应速度[31]。这严重限制了其在弱光条件下的探测性能。

尽管对高性能Ga₂O₃ SBUV PDs进行了大量研究，但提高其对弱光的响应能力仍然是一个重大挑战。目前的主要研究方向有两种：一方面是通过缩短载流子传输路径来抑制载流子捕获效应。例如，Chen [32] 设计了一种Al/Al₂O₃/Ga₂O₃超薄吸收层，利用多束干涉效应减轻载流子捕获效应并增强SBUV光的吸收，从而实现对弱信号的高响应。另一方面，研究集中在缺陷状态调节和钝化上。2025年，Long的团队[33] 提出了高温热脉冲处理技术，实现了Ga₂O₃薄膜中晶体结构和V_O含量的垂直分布梯度，克服了传统退火在精确控制方面的局限性。同时，我们的团队[34] 在溅射过程中引入氢气，有效钝化了a-Ga₂O₃中的缺陷，显著提高了器件的响应度和灵敏度。

为了解决a-Ga₂O₃光敏晶体管目前面临的性能瓶颈，本研究重点关注两个方面：优化后退火工艺和设计载流子传输路径。后退火工艺对PDs的最终性能有显著影响[35]、[36]、[37]、[38]。适当的退火可以改善材料晶体结构，减少缺陷，提高载流子迁移率，从而增强光响应和探测精度。然而，不适当的工艺可能会引入新的缺陷，导致暗电流增加和性能下降。作为一种新兴的热处理技术，光波退火在器件优化方面显示出显著优势[39]、[40]。其核心在于实现精确的局部加热：光波能量被薄膜吸收，导致温度迅速升高，而周围基底几乎不受影响。这一特性特别适用于在柔性基底上制备器件，可以最小化热应力引起的变形，确保机械完整性。这种加热通过减少不必要的热扩散和应力来提高薄膜质量，从而促进a-Ga₂O₃层内更有序的原子重排和有效的缺陷修复。此外，本研究采用了交错电极结构，扩大了光生载流子的收集面积并缩短了它们的传输路径[41]、[42]、[43]。通过这两个方面的优化，制备的a-Ga₂O₃光敏晶体管在光电性能上得到了全面提升，表现出更高的响应度和更优异的探测效率。这证明了光波退火技术在高性能、弱光SBUV探测中的巨大应用价值。

部分摘要

a-Ga₂O₃薄膜的化学成分和形态分析

为了研究不同后退火处理对a-Ga₂O₃薄膜性能的影响，制备了四个样品：在真空环境中400?°C下退火1?小时（Vacuum-400?°C），以及在光波炉中分别退火40?分钟（LW-40?min）、50?分钟（LW-50?min）和60?分钟（LW-60?min）。通过X射线光电子能谱（XPS）分析了各种退火条件下的薄膜化学键合状态，并获取了O 1s和Ga 2p光谱。图1(a–d)展示了...

讨论

在本研究中，光波炉退火的a-Ga₂O₃光敏晶体管在SBUV波段表现出出色的弱光探测性能，结合了高响应度和高灵敏度，显示出强大的应用潜力。

优异的器件性能主要归因于光波退火过程中非晶薄膜的微观结构优化。图4展示了光子退火过程中a-Ga₂O₃薄膜微观结构的演变机制：

结论

本研究系统地研究了光波退火过程对a-Ga₂O₃薄膜及其光敏晶体管性能的调制机制。光波退火可以通过光子-热协同作用有效促进a-Ga₂O₃薄膜的结构重排和缺陷修复。与真空退火相比，优化后的光波退火方法显著降低了V_O含量，拓宽了带隙，并提高了质量密度，从而...

薄膜沉积和器件制备

器件采用高掺杂的p型硅（p⁺-Si）作为栅电极，100?nm厚的热生长二氧化硅（SiO₂）层作为栅绝缘体。具体使用2?cm?×?2 cm的p⁺-Si/SiO₂晶圆作为基底。通道层通过RF磁控溅射沉积Ga₂O₃靶材制备。沉积过程在Ar/O₂混合气体中进行，溅射功率为90?W，气体流量分别为40 sccm和0.3 sccm。

CRediT作者贡献声明

唐慧泽：撰写 – 原稿撰写、可视化、验证、软件开发、方法论、实验设计、数据管理。 任俊彦：撰写 – 审稿与编辑、方法论、实验设计、数据管理。 程一婷：验证、方法论。 徐成福：验证、方法论、数据分析。 吴宏飞：验证、方法论、概念化。 翟月：验证、数据分析。 熊宇婷：验证、方法论。 徐阳：验证、方法论。 孙志硕：验证、方法论。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本项目得到了中国自然科学基金（编号：62274166）的支持。