由中國科學(xué)院蘇州納米所納米加工平臺、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、河南師范大學(xué)的研究團(tuán)隊在學(xué)術(shù)期刊 Journal of Materials Science & Technology 發(fā)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(xué)院蘇州納米技術(shù)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(xué)領(lǐng)域的權(quán)威英文期刊，創(chuàng)刊于 1985 年，現(xiàn)為旬刊，由 Elsevier 合作出版。該期刊以高影響因子和中科院一區(qū) Top 期刊地位著稱（IF=14.3），重點關(guān)注金屬材料、高分子材料等領(lǐng)域的前沿研究。旨在加強(qiáng)材料科學(xué)與技術(shù)科學(xué)活動的國際交流，重點關(guān)注無機(jī)非金屬材料、半導(dǎo)體材料、金屬材料、高分子材料等領(lǐng)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(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)項目（編號 SYG2024003）、國家重點研發(fā)計劃（編號 2021YFC2203400）、南昌市重點實驗室建設(shè)項目（編號 2020-NCZDSY-008）、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)基金（編號 CY2023×001），以及中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)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(lián)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(nèi)工作，廣泛應(yīng)用于航天探測、環(huán)境監(jiān)測和導(dǎo)彈尾跡探測等領(lǐng)域。傳統(tǒng)基于剛性襯底的 Ga₂O₃ 器件雖然性能優(yōu)異，但在柔性電子、可穿戴設(shè)備等輕量、柔韌、可貼附的應(yīng)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(yīng)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(dǎo)致器件出現(xiàn)持續(xù)光電導(dǎo)（PPC）、暗電流增加及響應(yīng)延遲，顯著影響器件性能。因此，實現(xiàn)大面積、高性能柔性 a-Ga₂O₃ UVPD 需要同時優(yōu)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(shè)計策略提高 MOCVD 生長過程中的氧氣流量，并結(jié)合 Si 襯底去除以及薄膜轉(zhuǎn)移技術(shù)，實現(xiàn) 4 英寸晶圓級柔性金屬-半導(dǎo)體-金屬（MSM）UVPD，器件在轉(zhuǎn)移前后均表現(xiàn)出高響應(yīng)度、高外量子效率、快速瞬態(tài)響應(yīng)，并在不同測試條件下展示出優(yōu)異的機(jī)械柔性和環(huán)境穩(wěn)定性，為柔性紫外探測器的大規(guī)模應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

四、 主要內(nèi)容

柔性紫外探測器因其輕量化特性及與復(fù)雜曲面的良好適配性，被廣泛研究并應(yīng)用于可穿戴電子設(shè)備和環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)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(yán)重限制了基于 a-Ga₂O₃ 的柔性探測器性能。此外，實現(xiàn)大面積柔性器件仍存在挑戰(zhàn)，這一問題持續(xù)阻礙其發(fā)展。本文采用富氧設(shè)計策略，將器件的響應(yīng)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(jī)械減薄與濕法刻蝕工藝，實現(xiàn)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(zhuǎn)移前后以及不同彎曲角度和溫度變化條件下均表現(xiàn)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(xiàn)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(fā)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(diào)控將暗電流從 6.9?μA 降至 0.3?μA。

● 響應(yīng)快速（4.3/11.2?ms），具有優(yōu)異的彎曲與穩(wěn)定性。

● 144 像素柔性陣列，實現(xiàn)高對比度紫外成像。

六、 結(jié)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(jī)化學(xué)氣相沉積（MOCVD）方法生長，并結(jié)合襯底去除與可控薄膜轉(zhuǎn)移工藝，實現(xiàn)了柔性器件結(jié)構(gòu)的構(gòu)筑。通過采用富氧生長策略并將氧氣流量優(yōu)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(xù)光電導(dǎo)（PPC）效應(yīng)。所制備的器件表現(xiàn)出快速的瞬態(tài)響應(yīng)特性（轉(zhuǎn)移前 τ_r/τ_d = 4.3/11.2 ms，轉(zhuǎn)移后為7.1/13.6 ms），并在轉(zhuǎn)移前后均保持穩(wěn)定的高性能，平均響應(yīng)度分別達(dá)到 212.01 A W^-1 和 294.2 A W^-1，對應(yīng)的外量子效率（EQE）分別為 1028.25% 和 1426.87%。此外，器件在反復(fù)機(jī)械彎折及不同紫外光照強(qiáng)度條件下仍能保持穩(wěn)定運行，展現(xiàn)出優(yōu)異的機(jī)械穩(wěn)健性、熱穩(wěn)定性及成像能力。以上結(jié)果為實現(xiàn)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(kuò)展且經(jīng)濟(jì)可行的發(fā)展路徑，為下一代紫外探測與成像系統(tǒng)的構(gòu)建奠定了堅實基礎(chǔ)。

圖 1. 柔性金屬–半導(dǎo)體–金屬（MSM）結(jié)構(gòu)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(fù)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(yīng)；(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(zhuǎn)移前后照片；(c) 100 個隨機(jī)選取 UVPD 的 I–V 曲線；(d 和 e) 轉(zhuǎn)移前后 100 個隨機(jī)選取 UVPD 的暗電流和光電流分布；(f) 10 Hz 調(diào)制頻率下的瞬態(tài)響應(yīng)時間；(g) 600 Hz 調(diào)制頻率下的瞬態(tài)響應(yīng)特性；(h) 200–400 nm 波長范圍內(nèi)的響應(yīng)光譜；(i) UVPD 的響應(yīng)度和響應(yīng)時間與已報道結(jié)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(huán)瞬態(tài)光響應(yīng)；(e) 不同彎曲曲率下柔性器件的響應(yīng)度 (R) 和外量子效率 (EQE)；(f) 彎曲循環(huán)次數(shù)與暗電流 (I_d) 及光電流 (I_p) 演變關(guān)系圖；(g) 響應(yīng)度 (R) 和 EQE 隨彎曲循環(huán)次數(shù)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(yīng)度 (R) 和 EQE。

圖 6. (a) 不同光強(qiáng)下光電流 (I_p) 的演變圖；(b) 不同光強(qiáng)下的響應(yīng)度 (R) 和外量子效率 (EQE)；(c) 應(yīng)用概念示意圖；(d) D 型柱的截面結(jié)構(gòu)及紫外光照射示意圖；(e) 紫外成像系統(tǒng)；(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(zhuǎn)發(fā)自《亞洲氧化鎵聯(lián)盟》訂閱號