氧退火对非晶态Ga2O3深紫外光电探测器光电性能和长期稳定性的影响

苗思丹|刘胜珍|杨晨|沈文|刘绍祥|冯双龙|张坤

重庆交通大学，中国重庆400074

摘要

由于具有极低的背景噪声、高性能和高稳定性，太阳盲深紫外（DUV）光电探测器（PD）在工业和国防应用中受到了广泛关注。退火是实现高性能Ga₂O₃基深紫外光电探测器件不可或缺的工艺，因为它显著提高了晶体质量并增强了整体光电性能。然而，退火对Ga₂O₃基光电探测器长期稳定性的影响尚未完全阐明。在这项工作中，系统研究了磁控溅射沉积的非晶Ga₂O₃薄膜中固有氧空位相关缺陷对其光电特性的影响。通过精确控制退火气氛中的氧分压，暗电流得到了显著抑制，从而大幅提高了这些太阳盲探测单元的光电转换效率和长期工作稳定性。在最佳退火条件（Ar:O₂ = 100:3）下，Ga₂O₃薄膜表现出最低的表面粗糙度（R_a = 1.45 nm）、22.5 nA的暗电流、1.02 A W^-1的高响应度、4.64 × 10¹² Jones的探测率，以及17 ms和8 ms的快速上升和衰减时间。与在纯氩气中退火相比，在含有100 sccm Ar和3 sccm O₂的气氛中退火后，深紫外光电探测器的环境稳定性更佳，因为在空气中暴露7天后其性能几乎保持不变。X射线光电子能谱（XPS）分析表明，退火过程中增加的氧分压有效抑制了氧空位，从而提高了器件稳定性。这些结果表明，在适度的氧分压下退火可以有效调节氧空位相关缺陷并调控界面载流子动态，从而同时提升Ga₂O₃深紫外光电探测器的性能和稳定性，为下一代高性能深紫外探测器件的发展提供了宝贵指导。

引言

从火焰检测到安全的卫星间通信，工作在太阳盲区域的DUV PD已被证明是不可或缺的[3], [4], [5], [6], [7]。在宽带隙半导体中，Ga₂O₃因其超宽的带隙（4.4-5.3 eV）而成为首选材料，这消除了通过复杂合金化来实现太阳盲选择性的需求[1], [2]。虽然单晶和多晶形式的这种材料已被广泛研究[9], [13]，但非晶Ga₂O₃为下一代电子设备提供了独特的优势，包括出色的大面积均匀性、低温加工兼容性以及通过磁控溅射实现的成本效益可扩展性[10], [11], [12]。尽管有这些优点，但通过磁控溅射制备的非晶薄膜器件的性能常常受到内在结构无序和高缺陷态密度的影响[8]。以往的研究主要集中在通过各种退火策略来最大化初始性能指标，如响应度和探测率[14], [15]。然而，一个关键但常被忽视的挑战是这些DUV PD的长期工作稳定性。氧空位虽然在某些情况下有利于增强光电流，但往往作为不稳定的陷阱中心，导致性能随时间显著下降，从而限制了基于Ga₂O₃技术的实际应用。为了解决这一关键问题，本研究展示了一种策略性方法，以协同优化非晶Ga₂O₃ DUV PD的光电效率和长期可靠性。与将退火视为一般结晶步骤的传统研究不同，我们精确调节了500 °C热处理过程中的氧分压，以微调缺陷化学计量比[16]。通过建立氩氧比与金属氧化物框架演变之间的直接关联，我们成功抑制了暗电流，同时保持了高灵敏度。最重要的是，这项工作提供了对器件性能的长期系统评估，揭示了精确控制的退火气氛是实现稳健、高性能太阳盲探测单元的关键，显著抑制了环境老化效应。

章节摘录

材料与方法

非晶Ga₂O₃薄膜是通过射频（RF）磁控溅射沉积在c面蓝宝石（0001）衬底上的。沉积前，衬底分别在丙酮、无水乙醇和去离子水中超声清洗10分钟，以去除表面污染物。清洗后，使用高纯度氮气（99.999%）吹干，并立即转移到溅射室中，以尽量减少表面再次污染的风险。

表面形貌

图1展示了不同Ar:O₂比例下沉积态和500 °C退火后的Ga₂O₃薄膜的表面和横截面SEM图像，突出了氧分压对形貌演变的影响。如图1(a)所示，沉积态的Ga₂O₃薄膜呈现出典型的岛屿状生长形态，纳米颗粒排列松散，晶界清晰，表明沉积过程中的表面扩散有限。在纯氩气中退火后（

结论

通过RF磁控溅射在蓝宝石衬底上沉积了非晶Ga₂O₃薄膜，并系统评估了Ar:O₂退火气氛对其结构和光电特性的影响。增加氧分压有效减少了氧空位，促进了晶格有序化，改善了表面形貌，从而抑制了暗电流并增强了光响应稳定性。在Ar:O₂比为100:3的条件下退火的薄膜表现出最佳性能

CRediT作者贡献声明

刘绍祥：验证、监督、资金获取。冯双龙：撰写 – 审稿与编辑、验证、资金获取。张坤：撰写 – 审稿与编辑、验证、监督、方法论、资金获取。苗思丹：撰写 – 原稿撰写、正式分析、数据管理、概念构思。刘胜珍：监督、软件支持。杨晨：验证、监督、项目管理、资金获取。沈文：验证、监督

未引用参考文献

[33]。

作者声明没有竞争性财务利益。

☒ 作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

博士后研究项目（2024CQBSHTB1005）、国家自然科学基金青年科学基金（C类）（项目编号：62405321）以及CPSF博士后奖学金计划（资助编号：GZC20250556）的支持。