【国内论文】松山湖材料实验室梅增霞研究员联合中山大学、中科院东莞材料所团队：用于经济高效弱紫外光检测的非晶Ga₂O₃/CuₓO/Cu异质结

        由松山湖材料实验室梅增霞研究员联合中山大学、中国科学院东莞材料科学与技术研究所的研究团队在学术期刊 Journal of Physics D: Applied Physics 发布了一篇名为 Amorphous-Ga₂O₃/CuₓO/Cu heterojunction for cost-effective weak-UV light detection（用于经济高效弱紫外光检测的非晶 Ga₂O₃/CuₓO/Cu 异质结）的文章。

        日盲紫外探测器（SBUV PDs）在火灾检测、空间通信及快速成像等领域具有重要应用，其核心在于能有效消除太阳光背景噪声的干扰 。在众多宽禁带半导体中，非晶氧化镓（a-Ga₂O₃）因具备合适的带隙（~5.05 eV）、出色的光响应能力以及可在大面积柔性基底上低温成膜等优势而备受关注 。为了获得低暗电流和高灵敏度，器件通常需要高质量的肖特基接触 。虽然金（Au）是传统的理想电极材料，但其价格昂贵且存在长期稳定性问题 。因此，开发一种利用地球富含金属（如铜）替代贵金属电极，且不牺牲探测性能的低成本方案，是推动氧化镓探测器产业化应用的关键。

        非晶氧化镓（a-Ga₂O₃）在日盲紫外（UV）光电探测领域日益受到关注，其优势在于具有合适的带隙、卓越的光响应率，且易于低成本大面积均匀制备。为实现低暗电流和高灵敏度，高质量肖特基接触至关重要。尽管贵金属金（Au）具有高功函数和优异的接触性能，但其高昂的价格和长期的不稳定性严重阻碍了其潜在应用。本文中，地球资源丰富的铜（Cu）金属被证明是高性能 a-Ga₂O₃ 光电探测器的高效电极，且具有成本效益。使用 Cu 接触后，实现了明显较低的暗电流（约 0.15 nA）和同样高的光电流（1.3 mA），从而获得了高响应率（2.3×10⁴ A·W^-1）和探测率（1.0×10¹⁵ Jones）。因此，该光电探测器能够探测到强度低至 0.1 uW/cm² 的弱紫外光。深度剖面 X 射线光电子能谱测量清晰地揭示了通过自下而上氧化在 Cu 和 a-Ga₂O₃ 薄膜之间自发形成的 CuₓO 界面层，该层在降低暗电流和分离光诱导电子-空穴对方面发挥了有效作用。相信利用经济实惠的 a-Ga₂O₃ 薄膜和 Cu 金属成功构建高性能日盲紫外光电探测器，将极大地推动其未来在各种实际应用中的发展。

        ●研究发现，在室温磁控溅射 Cu 电极过程中，Cu 原子会与 a-Ga₂O₃ 表面的氧原子发生自发的氧化还原反应，从而在界面处形成一层极薄（<5 nm）的 CuₓO 氧化层 。这种“自下而上”的氧化方式避免了人工生长厚层 CuₓO 带来的界面劣化 。

        ●得益于自发形成的 CuₓO 界面层，Cu 基器件的暗电流仅为 ~0.15 nA，比传统的 Au 基器件（~1.4 nA）低了近一个数量级。这一结果打破了“低功函数金属会导致更高暗电流”的常规认知 。

        ●由于极低的暗电流和保持不变的高 photocurrent（1.3 mA），该探测器实现了高达 1.0×10¹⁵ Jones 的比探测率和 2.3×10⁴ A /W 的高响应度 。

        ●器件展现出对极低强度紫外光的高灵敏度，能够清晰分辨强度低至 0.1 uW /cm² 的弱紫外信号，这使其跻身于目前报道的最灵敏 a-Ga₂O₃ 弱光探测器之列 。

        ●该研究证明了使用廉价且储备丰富的铜（Cu）替代金（Au）的可行性。此外，老化测试显示 Cu 基器件在环境空气中监测 16 天后，依然保持了比 Au 基器件更低的暗电流和更稳定的光响应，证明了其出色的环境耐受性 。

        基于 a-Ga₂O₃ 薄膜的短波紫外（SBUV）光电探测器（PDs）采用铜（Cu）和金（Au）电极进行制备。与使用金电极的光电探测器相比，铜基光电探测器的暗电流显著降低，而高光电流几乎相同，显示出更优的探测率和光电转换效率（PDCR）值。深度剖面 X 射线光电子能谱（XPS）证实了界面 CuₓO 层的形成，该层有效抑制了暗电流，同时不影响光诱导载流子的传输。本研究表明，当铜金属沉积在氧化物表面时，可以像金一样有效充当高功函数材料，为开发低成本、大面积、高灵敏度的短波紫外光电探测器提供了一种实用方法。

        本工作得到了中国国家自然科学基金（资助号：12574218、62174113、12174275和62404146）以及广东省基础与应用基础研究基金（资助号：2023A1515140094和2023A1515110730）的支持。

图1. (a) a-Ga₂O₃薄膜和石英基底的 X 射线衍射（XRD）图谱。(b) a-Ga₂O₃薄膜的原子力显微镜（AFM）图像。(c) a-Ga₂O₃ 薄膜的 Tauc 图（插图为光学透射光谱）。(d) a-Ga₂O₃ 薄膜中 O1s 的高分辨率 X 射线光电子能谱（XPS）图。

图2. (a) 使用 Cu  和Au 电极的 PD 在黑暗和 254 nm UV 光照射下的 I – V 特性。(b) 分别使用 Au 和 Cu 电极的 10 个 PD 的光电流和暗电流值的直方图。(c) 使用 Au 和 Cu 电极的 PD 的响应率和探测率光谱。(d) 在周期性 254 nm UV 光照射下，偏置电压为 10 V 时的时变光电流曲线。

图3. 不同蚀刻时间后（a）Cu 2p、（b）Cu LMM、（c）O 1s、（d）Ga 3d 的高分辨率 X 射线光电子能谱（XPS）。黑暗中（e）、外加偏压下（f）、外加偏压和紫外光照射下（g）的 a-Ga₂O₃/Cu_xO 异质结的能带示意图。

图4. (a) 不同距离下时间依赖型光响应测试的示意图。(b) 不同距离下铜基 SBUV 光电二极管（PDs）的时间依赖型光响应曲线。(c) 不同距离下光电流值随入射光功率密度的变化。红色曲线为使用幂律方程拟合的结果。

DOI：

doi.org/10.1088/1361-6463/ae69f4