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超高性能非晶Ga₂O₃日盲光电探测器阵列及其成像应用研究
1. 研究团队与发表信息
本研究由Yuan Qin、Li-Heng Li、Zhaoan Yu等共同完成，团队成员来自中国科学院微电子研究所（Key Laboratory of Microelectronics Devices & Integration Technology）、中国科学技术大学（University of Science and Technology of China）和华中科技大学（Huazhong University of Science and Technology）。研究成果发表于《Advanced Science》期刊，2021年8月在线发表，DOI编号为10.1002/advs.202101106。
2. 学术背景与研究目标
科学领域：本研究属于宽禁带半导体光电器件领域，聚焦于日盲紫外（Solar-Blind Ultraviolet, SBUV）光电探测技术。日盲波段（200–280 nm）因大气臭氧层的吸收而在地表几乎无背景辐射，因此在军事、环境监测和人工智能视觉等领域具有独特优势。
研究动机：现有日盲光电探测器（SBPD）面临大尺寸薄膜制备困难、均匀性不足、响应速度与灵敏度难以兼顾等问题。Ga₂O₃因其4.9 eV的禁带宽度（无需合金化即可覆盖日盲波段）成为理想材料，但非晶Ga₂O₃（a-Ga₂O₃）的缺陷调控和阵列集成仍是挑战。
研究目标：通过后退火（Post-Annealing, PA）工艺优化a-Ga₂O₃薄膜质量，开发高灵敏度、高均匀性的金属-半导体-金属（MSM）结构SBPD阵列，并实现32×32像素的大规模成像验证。
3. 研究流程与方法
（1）材料制备与表征
- 薄膜沉积：采用磁控溅射法（Magnetron Sputtering）在Si/SiO₂衬底上沉积a-Ga₂O₃薄膜，溅射功率60 W，气氛为Ar/O₂混合气体。
- 后退火处理：在氮气环境中400°C退火10分钟，显著降低电子陷阱密度（从4.5×10¹⁶ cm⁻³降至1×10¹⁶ cm⁻³），并提高载流子迁移率（从4.5×10⁻⁴ cm²/V·s提升至1×10⁻³ cm²/V·s）。
- 材料表征：
- XRD：确认薄膜为非晶态，但高分辨TEM发现局部纳米晶区域（尺寸约数纳米），形成非晶/晶相异质结。
- XPS：退火后氧空位（VO）浓度从41%增至44%，Ga₂O组分占比从49.3%升至52.5%，表明退火诱导氧缺陷。
- CL光谱：退火薄膜在461 nm（2.7 eV）和550 nm（2.3 eV）处出现蓝光发射峰，与VO相关的复合发光增强。
（2）器件制备与测试
- MSM结构SBPD：通过电子束蒸发制备Ti/Au叉指电极，电极间距5 μm。
- 光电性能测试：
- 响应度（Responsivity, R）：在254 nm光照、5 V偏压下达到733 A/W，增益-带宽积（Gain-Bandwidth Product）超过10⁴。
- 探测率（Detectivity, D*）：因极低噪声（3.5 fW/Hz¹/²），D*高达3.9×10¹⁶ Jones。
- 响应速度：上升时间 ms，衰减时间为18 ms（快组分）和91 ms（慢组分）。
（3）阵列集成与成像验证
- 32×32像素阵列：通过湿法刻蚀实现像素隔离，单个像素尺寸400×440 μm²，间距180 μm。
- 成像测试：利用自制电路系统，成功捕捉移动光斑的高对比度图像，验证了阵列的均匀性与成像能力（见图5d）。
4. 关键结果与机制分析
- 氧空位的作用：
- 增益机制：KPFM（开尔文探针力显微镜）证实光照后空穴在Ti/a-Ga₂O₃界面被VO捕获，降低肖特基势垒，增强电子注入（内部增益）。
- 快速响应：DFT计算表明VO²⁺作为复合中心，加速载流子复合，缩短衰减时间。
- 非晶/纳米晶混合相：局部结晶区域形成内建电场，促进光生载流子分离。
5. 研究结论与价值
- 科学价值：揭示了退火诱导的VO调控机制，为非晶氧化物半导体的缺陷工程提供新思路。
- 应用价值：阵列器件在日盲成像、环境监测和机器视觉中具有潜力，尤其适用于弱光探测（可检测低至18 pW/cm²的光强）。
6. 研究亮点
- 性能突破：实现了733 A/W的超高响应度和3.9×10¹⁶ Jones的探测率，综合性能优于多数晶态Ga₂O₃器件。
- 创新工艺：通过低温退火实现非晶薄膜的局部结晶化，兼顾高均匀性与低成本。
- 首例大规模阵列：首次报道32×32像素的a-Ga₂O₃成像阵列，推动日盲技术的实用化。
7. 其他发现
- 噪声抑制：退火后1/f噪声显著降低，归因于陷阱态钝化。
- 三维集成潜力：文中提及可通过折纸（Origami）方法实现3D阵列，但本研究聚焦平面工艺以简化集成。
该研究通过材料-器件-系统的全链条创新，为日盲光电探测器的实际应用提供了重要参考。