【国内论文】AOM丨山东大学李阳教授联合中国科学技术大学团队：基于两步生长法扩展载流子传输路径的高性能 ε-Ga₂O₃ 光探测器，用于日盲成像应用

        由山东大学李阳教授联合中国科学技术大学的研究团队在学术期刊 Advanced Optical Materials 发布了一篇名为 High-Performance ε-Ga₂O₃ Photodetectors Based on Two-Step Growth to Expand Carrier Transport Paths for Solar-Blind Imaging Applications（基于两步生长法扩展载流子传输路径的高性能 ε-Ga₂O₃ 光探测器，用于日盲成像应用）的文章。

        日盲紫外光电探测器在火灾监测、军事预警、电晕检测等领域具有关键应用价值，ε-Ga₂O₃ 凭借超宽禁带、高吸收系数与优异稳定性成为理想候选材料。传统异质外延易产生旋转畴与晶格缺陷，导致薄膜质量差、暗电流高；本征 ε-Ga₂O₃ 载流子浓度低，光生载流子分离与传输效率受限，同时单传输路径难以同时实现高光响应与快速响应。目前，结合两步生长与 Ge 掺杂构建双载流子传输路径、提升薄膜结晶质量并实现高性能日盲成像阵列的研究仍较为缺乏。

        ε-Ga₂O₃ 因其优异的热稳定性、异质集成兼容性以及通过缺陷工程实现高增益的能力，被认为是制备高性能日盲光电探测器（SBPDs）的理想候选材料。未来迫切需要设计并制备高灵敏度的 Ga₂O₃ 基光电探测器以满足实际应用。该团队首次提出采用两步生长法提升 ε-Ga₂O₃ 基日盲光电探测器性能。基于该薄膜制备的日盲光电探测器实现了 2.79 ×10¹⁶ Jones 的高比探测率、407.5 A W⁻¹ 的响应度以及 48 ms 衰减时间的快速响应速度，是已报道的 ε-Ga₂O₃ 基日盲光电探测器中最高探测率之一。低温缓冲层的引入提升了外延层质量，补偿了外延层漏电通道，降低了暗电流。此外，双层结构器件在光照下具有双载流子传输路径，显著增大了光电流。作为原理验证应用，基于 Ge 掺杂 ε-Ga₂O₃ 外延片的 5×5 光探测器阵列成功捕获清晰图像。该工作为研发高灵敏度、快响应的 ε-Ga₂O₃ 日盲光电探测器提供了可行策略。

        •提出两步生长法，提升 ε-Ga₂O₃ 薄膜结晶度并降低暗电流。

        •在双层结构中构建双载流子传输路径，显著提升光电流与响应度。

        •Ge 掺杂 ε-Ga₂O₃ 光探测器实现创纪录的 2.79 ×10¹⁶ Jones 高探测率。

        •制备 5×5 高均匀性光探测器阵列，实现清晰日盲成像。

        •低温缓冲层有效缓解晶格失配与缺陷延伸。

        该团队采用两步生长法制备高性能 Ge 掺杂 ε-Ga₂O₃ 日盲光电探测器。两步生长法被证实可缓解晶格失配，从而保证 ε-Ga₂O₃ 薄膜优异的形貌与晶体质量。此外，双载流子传输路径也是这些光探测器性能提升的原因。Ge 掺杂 ε-Ga₂O₃ 日盲光电探测器展现出优异的光响应性能：光暗电流比 6.11 ×10⁷、响应度 407.5 A/W、比探测率 2.79 ×10¹⁶ Jones、响应时间 0.5805/0.0484 s。基于该 ε-Ga₂O₃ 日盲光电探测器的优异性能，该团队制备了用于高分辨率日盲成像的 5×5 阵列，证实 ε-Ga₂O₃ 日盲光电探测器在日盲探测与深紫外成像实际应用中具有重要潜力。该工作推动了面向大规模、高分辨率阵列成像应用的高性能 ε-Ga₂O₃ 日盲光电探测器发展。

        本研究得到山东省自然科学基金（ZR2023ZD05）、深圳市基础研究计划（Grant No. GJHZ20220913142605011）、国家重点研发计划（2024YFA1208800）、国家自然科学基金（Grant No. 52572177）与山东省泰山学者基金（tsqn202408337）资助。

图 1. (a) 雾化化学气相沉积热壁反应器系统垂直结构示意图；(b) 两步生长法制备的 Ge 掺杂 ε-Ga₂O₃ 薄膜光学照片与截面图（插图）；(c, d) F₁、F₂、F₅ 样品的 X 射线衍射（XRD）与 X 射线光电子能谱（XPS），(d) 插图为 ε-Ga₂O₃ Ge 3d 峰放大图；(e) 不同样品中 O、Ga、Ge 的原子百分比；(f) 不同样品的透射光谱与 Tauc 图（插图）。

图 2. (a) 激发光谱；(b–d) F₁、F₂、F₅ 样品的光致发光（PL）高斯拟合峰。

图 3. (a) 外延层 F₁、F₂、F₅ 样品的扫描电子显微镜（SEM）图与能量色散谱（EDS）元素面分布；(b) 原子力显微镜（AFM）形貌图。

图 4. (a, b) F₅ 样品的透射电子显微镜（TEM）与选区高分辨图；(c) (b) 中选区的选区电子衍射（SAED）花样；(d) ε-Ga₂O₃ 结构演变示意图。

图 5. (a) 典型叉指电极器件结构示意图（上）与光学照片（下）；(b) 三种 MSM 型 ε-Ga₂O₃ 日盲光电探测器在暗态与 100 μW/cm² 深紫外光照下的电流 - 电压（I–V）曲线；(c) D₅ 器件在 254 nm 光照与暗态下的对数坐标 I–V 曲线；(d) D₁ 器件在不同光照强度下的 I–V 曲线；(e, f) 254 nm 光照下 D₁ 器件的光电流、响应度与比探测率随光强变化曲线；(g) D₁、D₂、D₅ 器件的电流 - 时间（I–t）曲线（@15 V，254 nm，100 μW/cm²）；(h) D₅ 器件在不同偏压下的 I–t 曲线；(i) D₅ 器件与已报道工作的响应度与比探测率对比。

图 6. (a) 两步生长与掺杂工程构建的器件结构；ε-Ga₂O₃ 光探测器在 (b) 单层与 (c) 双层结构下的能带图；(d) 双层结构中电子传输示意图。

图 7. (a) 成像系统示意图；(b) 254 nm 光照下 Ge 掺杂 ε-Ga₂O₃ 日盲光电探测器阵列所有单元的 2D 光电流统计分布；(c) Ge 掺杂 ε-Ga₂O₃ 5×5 阵列在 100 μW/cm²（254 nm）光照下的平均光电流与暗电流曲线；(d) 字母 “C” 的 3D 图像；(e) 字母 “C” 的热图。

DOI：

doi.org/10.1002/adom.71278