《Materials Today Communications》39卷（2024年）刊登了由北京邮电大学张赛、王金金（通讯作者）团队联合兰州理工大学严祖勇、中国科学院半导体研究所刘媛媛等合作的研究论文，题为《通过低成本雾化学气相沉积调控氧空位以优化Ga₂O₃日盲光电探测器性能》。该研究针对β相氧化镓（β-Ga₂O₃）材料在日盲紫外探测领域的应用瓶颈，提出了一种基于雾化学气相沉积（mist-CVD）技术的氧空位（Vo）调控新策略。
一、研究团队与发表信息
- 作者与机构：第一作者为北京邮电大学张赛，通讯作者为该校王金金教授与李培刚教授，合作单位包括兰州理工大学和中国科学院半导体研究所。
- 期刊与时间：论文发表于《Materials Today Communications》2024年第39卷，在线发布日期为2024年3月27日，文章编号108717。
二、学术背景
科学领域：宽禁带半导体材料与日盲紫外光电探测器。
研究动机：β-Ga₂O₃因其4.4-5.3 eV的天然禁带宽度成为日盲紫外探测的理想材料，但实际应用中面临三大挑战：
1. 材料本征氧空位导致器件暗电流高、响应速度慢；
2. 传统制备方法（如分子束外延MBE、金属有机化学气相沉积MOCVD）成本高昂且工艺复杂；
3. 现有氧空位调控技术（如等离子处理、元素掺杂）可能破坏材料化学键合。
研究目标：开发低成本mist-CVD工艺，通过载气中O₂流量调控Ga₂O₃薄膜的Vo浓度，实现高性能日盲探测器制备。
三、研究方法与流程
1. 薄膜生长与器件制备
- 设备创新：采用自行搭建的水平热壁式mist-CVD系统（图1），包含载气系统、雾化系统、加热系统和尾气处理系统，具有真空无关、低成本特性。
- 生长参数：
- 前驱体：乙酰丙酮镓（Ga(acac)₃）水溶液，添加HCl增强溶解度
- 衬底：c面蓝宝石，生长温度400-800°C梯度实验
- 载气组合：Ar（1 L/min）与O₂（0-2 L/min）流量调控
- 标记样本：按温度/O₂流量分组（如S61代表600°C、0 O₂流量）
2. 表征与测试
- 结构分析：X射线衍射（XRD）确认β相结晶性，发现600°C时(201)晶面族衍射峰最强（图2a-c）。
- 光学性能：紫外-可见光谱显示薄膜在深紫外区吸收显著，带隙计算显示O₂流量0.5 L/min时带隙最宽（4.78 eV，图2d）。
- 化学状态：X射线光电子能谱（XPS）定量Vo浓度，O 1s分峰拟合显示O₂引入使Vo比例从63.6%（S61）降至29.5%（S62）。
3. 器件性能测试
- 电极制备：磁控溅射Ti/Au叉指电极
- 光电响应：
- 在254 nm光照（500 μW/cm²）、5 V偏压下：
- 最佳器件（S62）的明暗电流比（PDCR）达3.0×10⁷
- 比探测率（D*）为3.06×10¹¹ Jones
- 响应速度0.528⁄0.158秒（上升/下降时间）
- 光谱选择性：245 nm处响应度达0.036 A/W，可见光抑制比3.2×10⁵
四、关键结果与机制
- 温度优化：600°C时薄膜呈现单晶趋势（XRD图2a），温度过高（800°C）导致微滴蒸发加剧使结晶性消失。
- O₂调控机制（图6）：
- 反应方程：Ga₂O₃:Vo⁺ + e⁻ + ½O₂ → Ga₂O₃
- O₂分解产生的活性氧原子填补Vo位点，降低缺陷浓度
- 过量O₂流量（>1.5 L/min）增加载流子碰撞概率，反致Vo回升
- 性能关联性：低Vo浓度（S62）使暗电流降至10 fA级，而适度Vo（S64）通过缺陷能级激发提升光电流至26.39 mA/W。
五、研究结论
- 科学价值：
- 阐明mist-CVD中载气流量与Vo浓度的非线性关系
- 建立”温度-载气参数-缺陷浓度-器件性能”的调控模型
- 应用价值：为日盲探测器量产提供低成本（设备成本降低约70%）、可放大的制备方案。
六、研究亮点
- 方法创新：首次将mist-CVD用于Ga₂O₃的Vo精准调控，突破传统高成本工艺限制。
- 性能突破：PDCR（3.0×10⁷）和响应速度（0.158秒）优于同期报道的MBE/PLD制备器件。
- 机理解析：通过Leidenfrost效应（莱顿弗罗斯特效应）解释微滴在衬底表面的运动机制，优化薄膜均匀性。
七、其他价值
该研究为宽禁带半导体缺陷工程提供普适性思路，可拓展至ZnO、AlN等材料体系。实验数据已通过XPS、XRD等原始数据验证，相关参数对比详见原文表1。