氧等离子体面对面热退火处理实现高性能β-Ga2O3日盲光电探测器的突破

研究人员针对β-Ga2O3薄膜中氧空位(VO)缺陷导致器件性能受限的问题，创新性提出氧等离子体面对面退火(OPA FTF)工艺。该技术通过原子氧扩散降低体相VO浓度至2.53%，同时保护表面免受高能离子损伤，使MSM探测器暗电流低至30 fA，探测率达5.68×1015 Jones，为日盲紫外探测提供了新方案。

在深紫外探测领域，日盲紫外光电探测器因其在导弹预警、臭氧监测等国防和环保领域的重要应用而备受关注。然而，传统硅基探测器需要复杂的光学滤波系统，而β相氧化镓(β-Ga₂O₃)凭借4.9 eV的宽禁带特性，理论上可实现对280 nm以下紫外光的本征响应。但材料中普遍存在的氧空位(V_O)等缺陷严重制约了器件性能，如何兼顾缺陷修复与表面保护成为关键科学难题。

针对这一挑战，东北师范大学（National Natural Science Foundation of China资助项目承担单位）的研究团队在《Applied Materials Today》发表创新成果。他们开发出氧等离子体面对面退火(OPA FTF)新工艺，通过金属有机化学气相沉积(MOCVD)制备的β-Ga₂O₃薄膜经该处理后，不仅将表面V_O浓度从6.25%降至2.88%，还使X射线衍射(XRD)半高宽从0.129°优化至0.093°，表面粗糙度降低50%。基于此制备的金属-半导体-金属(MSM)结构探测器展现出30 fA的超低暗电流和5.68×10¹⁵ Jones的探测率，性能指标达到国际领先水平。

关键技术方法包括：1）MOCVD生长β-Ga₂O₃薄膜；2）对比空气退火、氧等离子体退火(OPA)和OPA FTF三种处理工艺；3）X射线光电子能谱(XPS)定量分析V_O浓度；4）原子力显微镜(AFM)表征表面形貌；5）构建叉指电极MSM器件测试光电性能。

【实验结果】

1. 材料表征：OPA FTF样品(-201)晶面XRD峰半高宽最窄(0.093°)，表面均方根粗糙度从14.9 nm降至7.5 nm，XPS显示表面V_O占比从6.25%降至2.88%。

2. 光电性能：在10 V偏压下，OPA FTF器件暗电流仅为30 fA，光暗电流比达6.06×10⁷，响应度3.37 A/W，探测率突破5.68×10¹⁵ Jones。

3. 机制分析：面对面放置有效阻挡高能氧离子(如O₂^+/-)对表面的轰击，同时促进原子氧(O)向体相扩散填补空位。

该研究创新性地解决了传统退火工艺中"修复缺陷"与"保护表面"难以兼顾的矛盾。OPA FTF技术不仅适用于β-Ga₂O₃器件，其"等离子体活化+空间限域"的设计思路还可拓展至其他宽禁带半导体（如AlGaN、ZnO）的缺陷工程。研究团队Yiping Miao等指出，该方法为开发新一代高性能日盲探测器提供了普适性工艺路线，对推动紫外探测技术在环境监测、空间通信等领域的应用具有重要价值。