【国内论文】松山湖材料实验室梅增霞研究员团队---从单晶 MgZnO 到非晶 Ga₂O₃：深紫外光电探测器的发展和选择

        日盲紫外（220-280 nm）探测因其低背景干扰特性，在军事预警、火焰监测、电力安全、紫外通信等领域具有重要应用价值。传统探测器（如光电倍增管、硅光电二极管）存在体积大、需高压、易损坏或需滤光片、灵敏度有限等缺点。宽禁带半导体为研制无滤光片、紧凑型日盲探测器提供了可能。金刚石带隙过宽，AlGaN 工艺复杂且成本高，MgZnO 在实现日盲探测所需的高 Mg 组分时易发生相分离且 p 型掺杂困难。Ga₂O₃（带隙~4.9 eV）是天然的日盲紫外探测材料，成本低、稳定性好。非晶 Ga₂O₃ 更具有低温、大面积、柔性兼容、低成本制备等突出优势。

        宽带隙半导体在研制无滤光片紧凑型日盲紫外探测器方面具有极大的发展潜力。本文结合本团队在分子束外延 MgZnO 单晶薄膜和磁控溅射非晶 Ga₂O₃ 薄膜以及相应日盲紫外探测器的研究经验，综述了以 MgZnO 和非晶 Ga₂O₃ 为代表的宽带隙氧化物半导体深紫外探测器研究进展，发现非晶 Ga₂O₃ 薄膜拥有不输于单晶薄膜的深紫外响应特性。众多研究结果表明，氧空位相关缺陷对器件性能起着至关重要的作用，对其进行合理调控可有效提升器件性能。此外，与氧空位缺陷相伴的持续光电导效应为开发深紫外光电突触器件提供了新的研究视角。最后，针对上述研究中存在的问题进行剖析总结，期望进一步推动宽带隙氧化物半导体材料，尤其非晶 Ga₂O₃ 材料在未来深紫外探测方面的产业应用。

        宽禁带半导体 MgZnO 和 Ga₂O₃ 是研制无滤光片深紫外探测器的理想材料。研究历程表明，缺陷（而非单纯的结晶质量）对氧化物半导体探测器的性能起着至关重要的调控作用。非晶 Ga₂O₃ 薄膜由于其独特的缺陷增益机制，其深紫外光响应特性不输于甚至优于单晶薄膜。氧空位 (V_O) 是非晶 Ga₂O₃ 中的关键缺陷，对其进行有效调控是优化器件性能的核心。由 V_O 引起的持续光电导效应 (PPC) 为非晶 Ga₂O₃ 在光电突触、光电存储等新型器件中的应用提供了新机遇。未来研究需在提升器件综合性能（兼顾响应度和速度）、深入理解非晶材料缺陷物理、创新器件结构以及面向具体应用场景优化等方面继续努力。非晶 Ga₂O₃ 材料凭借其优异性能潜力、低成本和简单的制备工艺，在深紫外探测及相关光电子领域的产业化应用方面具有巨大潜力。

图 1 （a）Si 基 MgZnO 单晶薄膜的 RHEED 图案；（b）MgZnO 单晶薄膜的原子力显微镜成像；（c）~（d）X 射线衍射 θ-2θ 扫描曲线及 ϕ 扫描曲线；（e）暗态下的 I-V 曲线，插图为器件结构示意图；（f）0.5 V 偏压下器件的光响应谱，插图为相应薄膜的反射谱测试结果。

图 2 （a）m-MgZnO 和 ZnO 的 XRD 光谱；（b）m-MgZnO 的扫描电子成像图；（c）m-MgZnO 的透射和吸收光谱；（d）m-MgZnO 光电探测器在暗态的 I-V 曲线，插图为器件结构示意图；（e）在 10 V 偏压下器件的光谱响应，插图为对数坐标。

图3. (a) MSM结构探测器的示意图；(b) 暗态下器件的I-V关系曲线；(c) 254 nm紫外光辐照下器件的I-V关系曲线；(d) 20 V偏压下的光响应谱；(e) 10 V偏压下周期紫外光辐照下电流随时间变化曲线；(f) 瞬态KrF脉冲激光响应速度测试结果。备注：氧空位浓度从S0到S4逐渐减小。

图4. (a)-(c) MSM结构探测器示意图；(d)-(f) 上述三种器件结构在周期性254nm紫外光辐照下电流随时间变化曲线；(g)-(i) 双层器件在周期电压偏置，不同光功率密度的周期光辐照下的电流随时间变化曲线。

DOI：

doi.org/10. 37188/CJL. 20240266