由中國科學院蘇州納米所納米加工平臺、中國科學技術大學、河南師范大學的研究團隊在學術期刊 Journal of Materials Science & Technology 發布了一篇名為Wafer-scale high-performance flexible solar-blind ultraviolet photodetectors based on a-Ga₂O₃ grown by MOCVD（基于 MOCVD 外延生長的 a-Ga₂O₃ 的晶圓級高性能柔性日盲紫外光探測器）的文章。中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所的胡毓、陳體威博士為共同第一作者，張曉東、王逸群為通訊作者。

一、 期刊介紹

Journal of Materials Science & Technology（JMST）‌是中國材料科學領域的權威英文期刊，創刊于 1985 年，現為旬刊，由 Elsevier 合作出版。該期刊以高影響因子和中科院一區 Top 期刊地位著稱（IF=14.3），重點關注金屬材料、高分子材料等領域的前沿研究。旨在加強材料科學與技術科學活動的國際交流，重點關注無機非金屬材料、半導體材料、金屬材料、高分子材料等領域的前沿研究。

二、 項目支持

本工作得到以下項目支持：蘇州核心關鍵技術攻關項目（編號 SYG2024003）、國家重點研發計劃（編號 2021YFC2203400）、南昌市重點實驗室建設項目（編號 2020-NCZDSY-008）、中國科學技術大學學生創新創業基金（編號 CY2023×001），以及中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所的納米加工平臺、測試分析平臺與納米真空互聯實驗站（NANO-X）。

三、 背景

日盲深紫外光電探測器（UVPDs）在 200–280 nm 波段內工作，廣泛應用于航天探測、環境監測和導彈尾跡探測等領域。傳統基于剛性襯底的 Ga₂O₃ 器件雖然性能優異，但在柔性電子、可穿戴設備等輕量、柔韌、可貼附的應用中會受到一定限制。非晶 Ga₂O₃（a-Ga₂O₃）薄膜具有無序的原子排列方式，因此對柔性襯底的變形和彎曲具有更好的適應性，使其成為制備柔性UVPD的理想材料。然而，由于 a-Ga₂O₃ 中存在大量氧空位（V_o）等深能級缺陷易，會導致器件出現持續光電導（PPC）、暗電流增加及響應延遲，顯著影響器件性能。因此，實現大面積、高性能柔性 a-Ga₂O₃ UVPD 需要同時優化材料缺陷（如降低 V_o 濃度）和器件工藝。該工作通過富氧設計策略提高 MOCVD 生長過程中的氧氣流量，并結合 Si 襯底去除以及薄膜轉移技術，實現 4 英寸晶圓級柔性金屬-半導體-金屬（MSM）UVPD，器件在轉移前后均表現出高響應度、高外量子效率、快速瞬態響應，并在不同測試條件下展示出優異的機械柔性和環境穩定性，為柔性紫外探測器的大規模應用奠定了基礎。

四、 主要內容

柔性紫外探測器因其輕量化特性及與復雜曲面的良好適配性，被廣泛研究并應用于可穿戴電子設備和環境監測領域。a-Ga₂O₃ 具有 4.9 eV 的寬帶隙，非常適用于柔性日盲紫外探測。然而，深能級缺陷（如氧空位）長期以來嚴重限制了基于 a-Ga₂O₃ 的柔性探測器性能。此外，實現大面積柔性器件仍存在挑戰，這一問題持續阻礙其發展。本文采用富氧設計策略，將器件的響應時間縮短至4.3/11.2 ms，將暗電流從 6.9 μA 降低至 0.3 μA，并將探測器帶寬提升 600 dB。通過機械減薄與濕法刻蝕工藝，實現了 4 英寸晶圓級柔性 a-Ga₂O₃ 探測器的制備。值得注意的是，器件在轉移前后以及不同彎曲角度和溫度變化條件下均表現出高度一致的性能。此外，成功制備了由 144 個像素組成的大面積柔性探測器陣列，并實現了高對比度的紫外成像。本研究為高性能、晶圓級 a-Ga₂O₃ 柔性探測器的發展提供了重要參考。

五、 亮點

● 基于非晶氧化鎵的晶圓級柔性紫外探測器。

● 富氧調控將暗電流從 6.9?μA 降至 0.3?μA。

● 響應快速（4.3/11.2?ms），具有優異的彎曲與穩定性。

● 144 像素柔性陣列，實現高對比度紫外成像。

六、 結論

本研究成功制備了一種基于 a-Ga₂O₃ 的 4 英寸晶圓級柔性 MSM 型紫外光電探測器（UVPD）。a-Ga₂O₃ 薄膜通過金屬有機化學氣相沉積（MOCVD）方法生長，并結合襯底去除與可控薄膜轉移工藝，實現了柔性器件結構的構筑。通過采用富氧生長策略并將氧氣流量優化至 1000 sccm，有效抑制了氧空位（V_o）的濃度，使薄膜表面粗糙度降低至 0.73 nm，同時顯著減弱了器件的持續光電導（PPC）效應。所制備的器件表現出快速的瞬態響應特性（轉移前 τ_r/τ_d = 4.3/11.2 ms，轉移后為7.1/13.6 ms），并在轉移前后均保持穩定的高性能，平均響應度分別達到 212.01 A W^-1 和 294.2 A W^-1，對應的外量子效率（EQE）分別為 1028.25% 和 1426.87%。此外，器件在反復機械彎折及不同紫外光照強度條件下仍能保持穩定運行，展現出優異的機械穩健性、熱穩定性及成像能力。以上結果為實現高性能、大面積、低成本的柔性 a-Ga₂O₃ 紫外光電探測器提供了一條可擴展且經濟可行的發展路徑，為下一代紫外探測與成像系統的構建奠定了堅實基礎。

圖 1. 柔性金屬–半導體–金屬（MSM）結構非晶氧化鎵（a-Ga₂O₃）日盲深紫外探測器的制備流程。

圖 2. (a) Si (111) 襯底、Si/AlN 復合襯底及 Ga₂O₃ 樣品的 XRD 2θ 掃描曲線；(b) AlN 插入層與 a-Ga₂O₃ 薄膜界面的 SEM 與 HRTEM 截面圖；(c) XPS 全譜掃描；(d) a-Ga₂O₃ 的 O 1s 核能級譜；(e) a-Ga₂O₃ 的 Ga 3d 核能級譜；(f–h) 在氧流量分別為 200、600、1000 sccm 條件下生長的 a-Ga₂O₃ 薄膜的 AFM 三維形貌圖。

圖 3. (a) 不同氧流條件下I–V 特性曲線；(b) 不同氧流條件下 a-Ga₂O₃ UVPD 的頻率響應；(c–e) 不同偏壓下的噪聲功率譜密度 (PSD)。

圖 4. (a 和 b) 4 英寸柔性器件轉移前后照片；(c) 100 個隨機選取 UVPD 的 I–V 曲線；(d 和 e) 轉移前后 100 個隨機選取 UVPD 的暗電流和光電流分布；(f) 10 Hz 調制頻率下的瞬態響應時間；(g) 600 Hz 調制頻率下的瞬態響應特性；(h) 200–400 nm 波長范圍內的響應光譜；(i) UVPD 的響應度和響應時間與已報道結果的對比。

圖 5. (a) D 形柱彎曲測試方法示意圖；(b) 不同彎曲曲率下的柔性器件示意圖；(c) 不同彎曲曲率下柔性器件的 I–V 曲線；(d) 多循環瞬態光響應；(e) 不同彎曲曲率下柔性器件的響應度 (R) 和外量子效率 (EQE)；(f) 彎曲循環次數與暗電流 (I_d) 及光電流 (I_p) 演變關系圖；(g) 響應度 (R) 和 EQE 隨彎曲循環次數變化圖；(h) 不同工作溫度下 I_d 和 I_p 的演變圖；(i) 不同工作溫度下的響應度 (R) 和 EQE。

圖 6. (a) 不同光強下光電流 (I_p) 的演變圖；(b) 不同光強下的響應度 (R) 和外量子效率 (EQE)；(c) 應用概念示意圖；(d) D 型柱的截面結構及紫外光照射示意圖；(e) 紫外成像系統；(f) 開啟紫外光照射后圖像對比度的演變。

DOI：

doi.org/10.1016/j.jmst.2025.10.005

本文轉發自《亞洲氧化鎵聯盟》訂閱號