（来源：期刊-《光电工程》-第50卷第6期）

肖  演，杨斯铄，程凌云， 周  游，钱凌轩*

电子科技大学集成电路科学与工程学院 (示范性微电子学院)/ 电子薄膜与集成器件全国重点实验室，

四川 成都 611731

摘要： 日盲紫外探测在空间安全通信、臭氧空洞监测、导弹来袭告警等民用与军事领域有着广阔的应用场景和特定的市场价值。氧化镓 (Ga2O3) 具有超宽的带隙(4.4~5.3 eV)，几乎覆盖整个日盲波段，被认为是构筑日盲紫外探测器的理想材料之一。相较于单晶和外延氧化镓材料，非晶氧化镓 (a-Ga2O3) 的制备温度更低，工艺相对简单，且衬底的适 用范围更广，因此近些年成为 Ga2O3 基日盲紫外探测领域新的研究热点。本文旨在对 a-Ga2O3 基日盲紫外探测器的 研究进展与现状进行介绍。首先介绍了 a-Ga2O3  的基本特性以及几种常见的制备方法，进而介绍了各种适用的器件类型、结构及性能。目前，a-Ga2O3 基日盲紫外探测器主要分为 MSM 型、结型、TFT 型和阵列型等几大类，通过器件 结构优化，进一步提升探测性能。其中，MSM 型器件结构简单，响应度高，应用最为广泛；结型器件通过构建肖特基结和异质结等，具有响应速度快、暗电流低和自供电的特点；TFT 型器件能够在抑制暗电流的同时放大增益，且可以通过施加栅压脉冲来提升响应速度；阵列型器件主要用于大面积成像。最后，本文对 a-Ga2O3   日盲紫外探测器未来 的发展趋势进行了总结和展望。

关键词：非晶氧化镓；光电探测器；光电晶体管；薄膜晶体管探测； 日盲紫外；超宽禁带半导体

中图分类号：TN23                             文献标志码：A

1   引  言

太阳是地球表面辐射的主要来源，其辐射光谱包括位于 150~400 nm波长范围的紫外辐射波段。但由于大气热层中的氧原子对 200 nm 以下波长的紫外光会产生强烈吸收， 因此这一谱区的紫外辐射理论上只能在大气层外探测到， 形成了“外层空间日盲区” 。 同时，平流层中的臭氧可吸收 280nm 以下的紫外辐射，导致 200~280 nm 的紫外辐射也几乎不能到达地表，形成“大气日盲区”，此波段也常被直接称为“ 日盲区” [1]。因此， 在日盲区工作的紫外探测器天然地具有低背景噪声、高抗干扰能力和可全天候工作的优点。并且， 由于大气对日盲区紫外光的吸收作用，日盲波段的通信信号传播距离可控，从而降低了被窃听的风险[2]。基于上述优点，日盲紫外探测器在臭氧空洞监测、导弹来袭预警以及空间安全通信等领域都具有十分重要的应用价值[3-9]。

以氮化镓 (GaN)、碳化硅 (SiC) 为代表的第三代半导体具有带隙宽、热导率高、电子漂移速率较快、介电常数较小等特性，在光电子、功率半导体、抗辐射器件等领域展现出巨大潜力[10-13]。其中，其带隙宽的特点使得第三代半导体成为制备日盲紫外探测器的优选材料。然而，GaN 、SiC 等常见的第三代半导体材料受限于带隙，其截止波长通常位于 300~400 nm。 要想制作真正的日盲紫外探测器，需要将目光转向拥有 更 宽 带 隙 的 材 料 ，如 氮 化铝 (AlN)、 铝 镓 氮  (AlGaN)[14]、金刚石[15]、ZnMgO[16]  和氧化镓 (Ga2O3)[17-19] 等。其中，Ga2O3  的带隙为 4.4~5.3 eV，与日盲波段匹配较好，且与 AlGaN 、ZnMgO 等材料相比，不需要复杂的合金化工艺， 因此成为了制备日盲紫外探测器新的热门材料之一。

Ga2O3 具有多种同分异构体， 其中 β-Ga2O3  在常温常压下的物化性质最稳定，而其他结构均为亚稳态。 因此，目前报道的大多数日盲紫外探测器都是基于 β- Ga2O3  。早在 2006 年，Feng 等[20]  就基于 β-Ga2O3  纳米线制备了日盲紫外探测器，器件具有 pA 级的暗电流  和 nA 级的光电流。后续也有许多关于纳米结构的研究[6,21]，但总体来讲纳米材料的尺寸和形貌结构难以精确控制，且表面缺陷态较多，与实际应用还有一定距离。2008 年， Oshima[22]  等第一次基于 β-Ga2O3  单晶制备了日盲紫外探测器，器件的响应度能达到 8.7 A/W。后续研究通过退火等方法[23-24] 使基于 β-Ga2O3   单晶的器件性能得到了进一步提升。但从工艺和成本来看，制备大面积且高质量的β-Ga2O3  单晶目前还面临一些挑战。与纳米结构和单晶相比，β-Ga2O3  薄膜的制备工艺更加成熟，制备方法更加多样化[25-26] 。β- Ga2O3  薄膜的制备技术已经发展了很长时间，且基于 Ga2O3 单晶块体的同质外延被认为是制备高质量 β- Ga2O3  薄膜的最为有效的方法， 但相关工艺难度大，成本高，且高质量氧化镓单晶衬底的获取上尚存在诸多不确定因素。所以， 目前的研究主要还是采用异质外延。然而，异质外延不可避免地存在晶格不匹配的问题， 因此制备的 β-Ga2O3  薄膜的质量一直距离理想单晶还是存在明显差距，而大面积的均匀性也是一个难题，基于 β-Ga2O3  薄膜的相关研究遇到了瓶颈。除 了 β-Ga2O3 ， 包括 α-Ga2O3 、γ-Ga2O3  和 ε-Ga2O3  在内  的其它相 Ga2O3  薄膜也被用作日盲紫外探测器的感光材料[27-29]，但与 β-Ga2O3  薄膜一样，外延生长时都面临晶格失配的问题，而且由于它们的热稳定性较差，生长工艺要求更为苛刻。

相比而言， 非晶态的氧化镓 (a-Ga2O3) 薄膜拥有相对较低的制备温度，且因为不需要考虑晶格失配的问题， 因此衬底选择范围更广，大面积成膜的难度更低，通常表现出更为出色的均匀性。这些特点使得 a- Ga2O3  在柔性器件和大面积图像传感器等领域具有极大的发展潜力。

2017 年， Qian[30] 、 Lee[31]   、Cui[32]  三个不同的科研团队几乎同时首度报道了基于 a-Ga2O3  薄膜的日盲紫外探测器，表现出极具竞争力的器件性能。受此启发，相关研究开始逐渐增多，关于薄膜制备工艺优化的工作迅速展开。研究团队通过调节a-Ga2O3  薄膜生长过程中的气体流量、工作压力和生长温度等参数，不断完善薄膜制备方法，提高薄膜质量。

受限于 a-Ga2O3  薄膜本身导电性差、载流子迁移率低等固有缺点，薄膜质量优化对器件性能的提升效果也遇到了瓶颈。

掺杂和合金化成为了打破瓶颈的有效手段之一。 2018 年，Chen 等[33]  制备了性能优良的非晶铟-镓氧化物 (IGO) 日盲紫外探测器，此后，相关研究陆续展开。优化器件的结构是提升器件性能的另一维度，有关结型器件和 TFT 型器件的研究也逐渐增多。

近两年，鉴于a-Ga2O3   日盲紫外探测器在智能穿戴设备和图像传感器等领域的应用前景，柔性器件和阵列型器件的研究也迅速发展起来。

本文首先介绍了日盲紫外探测器的关键性能参数，然后介绍了 a-Ga2O3  材料的基本特性以及 a-Ga2O3  薄膜的制备方法，最后讨论了基于 a-Ga2O3  的日盲紫外探测器的研究进展，并对未来的发展趋势进行了展望。

2  日盲紫外探测器的关键性能参数

日盲紫外探测器的关键性能参数包括：暗电流 (dark current, Idark)、光电流 (photo current, Iphoto)、光暗电流比 (PDCR)、响应度 (responsivity , R )、响应时间 (response time)、探测率 (detectivity , D*)、外量子效率 (external quantum efficiency, EQE) 等， 以下对这些参数作简要介绍。

1) 暗电流：暗电流是指器件在没有外加任何光源时所测得的微小电流。材料中的晶格缺陷、材料之间的晶格失配以及器件制备时引入的晶格损伤等，都会影响暗电流的大小。降低暗电流对于提高器件的信噪比和微弱信号的检测能力具有至关重要的作用。

2) 光电流：光电流是指器件在入射光的作用下产生的电流，如式 (1)：

其中：Ilight  为光照时器件所测得的电流。当光子的能量足够大时，感光材料中价带的电子被激发到导带中，从而产生电子-空穴对。在电场的作用下， 电子和空穴分别向阴极和阳极移动，从而产生电流。光电流是决定器件性能好坏的最基本的参数。

3) 光暗电流比：顾名思义，光电流与暗电流的比值即为光暗电流比，它同时评估了光电流与暗电流的大小，一般认为其值越大，则器件灵敏度越高。

4) 响应度：响应度定义为光电流大小与入射光功率的比值，用于表征器件的光电转换效率，如式 (2)：

其中：P 为入射光的功率密度，S 为器件的有效受光面积。响应度越高，表明器件的性能越优。

5) 响应时间：响应时间分为上升时间和下降时间， 上升时间定义为光照时 Iphoto  由峰值的 10% 上升至 90% 所需的时间，下降时间定义为结束光照后电流大小从峰值的 90% 下降至 10% 所需的时间。响应时间描述了器件对于光照的响应速度的快慢，通常希望器件能够实现快速响应。

6) 探测率：来自背景辐射和器件内部的噪声决定了探测器能检测到的最小信号值，探测率则是用来评估器件对于噪声以外信号的探测能力的极限，如式 (3)：

其中：R 为响应度，S 为有效受光面积，q 为电荷量。 探测率的值越大，则代表器件对于微弱信号的检测能力越强。

7) 外量子效率：量子效率分为外量子效率和内量子效率。内量子效率表示器件内部产生的电子数与被吸收的光子数之比。而由于反射等作用，入射光通常无法被器件全部吸收， 因此把产生的电子数与总的入射光子数之比称为外量子效率。外量子效率表征了器件的光子-电子转换效率 (ηEQE)，如式 (4)：

3   a-Ga2O3  的基本特性和制备方法

Ga2O3  的化学性质非常稳定，在常温下不溶于水，只与加热的酸碱溶液反应，且熔点高达 1795 ℃[34] 。 Ga2O3  晶体具有五种结构，分别为α-Ga2O3 、β-Ga2O3、 γ-Ga2O3 、δ-Ga2O3  和 ε-Ga2O3。其中β-Ga2O3  结构最稳定， 而其它晶相均为亚稳态，在经过加热处理之后， 均可转化为 β-Ga2O3[35]。如图 1 所示， 相较于晶体结构的 Ga2O3 ， a-Ga2O3  不具有长程有序性， 内部原子不呈周期性排列，但其排列也遵循一定的规律，可以认为是短程有序[36]。基于 a-Ga2O3  的结构特点， 以它为材料制备的大面积薄膜具有较好的均匀性。与此同时，a-Ga2O3 也容易存在大量缺陷， 主要体现为氧空位缺陷 (VO)[37]。氧空位缺陷会束缚空穴，从而阻止空穴和电子的复合。对于日盲紫外探测器而言，这一方面能使得器件中载流子浓度因为光电导增益的存在而不断增加，从而提高光电流，而另一方面则使得器件在光照结束之后很难恢复原来的状态，即持续光电导 (PPC) 效应。因此，对氧空位的调控一直都是制备 a-Ga2O3  薄膜需要关注的重点。

制备 -Ga2O3  薄膜的方法很多，包括射频磁控溅射 (RFMS)[30]、原子层沉积 (ALD)[37]、化学气相沉积 (CVD)[38-42]、脉冲激光沉积 (PLD)[43]、热蒸发 (TE)[44-46]、 电子束蒸发 (EBE)[47]  和溶液工艺沉积 (SPD)[48-49]  等。值得注意的是， 当沉积温度高于400℃ 时，Ga2O3  会发生结晶[50-53]，这一点需要避免。从近些年的研究来看， 采用 RFMS 、ALD 和 SPD 更容易制备高质量大 面积的 a-Ga2O3  薄膜，广受研究者的青睐。以下简要介绍这三种薄膜沉积方法。

1) 射频磁控溅射。向真空腔室中通入氩气 (Ar)，在射频电压的作用下发生辉光放电，并产生等离子体轰击 a-Ga2O3 靶材的表面。被轰击出的原子迁移到基片表面，逐渐凝聚成薄膜。在沉积过程中，磁场的作用是使电离出的电子受到洛仑兹力影响，运动轨迹发生弯曲甚至产生螺旋运动，使得运动路径变长，从而增加了与 Ar 分子碰撞的次数，使等离子体密度增大，大大提高了溅射速率。另一方面也提高了入射到衬底表面的原子的能量， 因而可以在很大程度上改善薄膜的质量。同时，经过多次碰撞而丧失能量的电子到达阳极时， 已变成低能电子，从而不会使基片过热。因此射频磁控溅射法具有高速、低温的优点。

2) 原子层沉积。通过将气相前驱体交替地通入反应器，并化学吸附在基底上发生反应，从而以单原子膜的形式一层一层地镀在基底表面。由于它的自饱和和自限特性[54] ，ALD 具备精确的原子级厚度控制能力。除此之外，ALD 的大部分沉积温度都在 400 ℃ 以下， 因此它很适合沉积 a-Ga2O3  薄膜。想要获得高质量的 a-Ga2O3  薄膜，最重要的是选择合适的 Ga 和 O 的前驱体。

3) 溶液工艺沉积。首先制备含有 Ga 和 O 元素的前体溶液 (Ga(NO3) 3·xH2O 等)，然后将前体溶液旋涂在基底上并在一定气氛和温度下退火，便得到一定厚度的 a-Ga2O3  薄膜。溶液沉积的方法成本较低，且不需要在真空环境下进行， 大大降低了制备工艺的复杂度。

相较而言，射频磁控溅射制备的薄膜更加致密，且生长速率快， 因此应用最为广泛。但由于沉积过程中粒子能量较高，衬底上的光刻胶或其他薄膜材料可能会发生变性，对器件产生不利的影响[55]。而原子层沉积制备的薄膜具有最出色的均匀性，对于制作较大面积的器件优势明显。Ga 和 O 前驱体的选择是成膜质量的关键因素，但目前相关研究还不完善。溶液法是复杂度相对最低的薄膜制备方法，但薄膜往往导电性很差，需要优化退火工艺或者在前体溶液中掺入其它金属元素来改善薄膜的导电性，相关研究还处在起步阶段。

4   a-Ga2O3   日盲紫外探测器研究进展

4.1  MSM 型器件

金属-半导体-金属 (MSM) 的结构如图 2(a) 所示，它基于两个背靠背的肖特基二极管构成。两侧金属区域常采用叉指结构，这样可以增大电极的接触面积， 提高对光生载流子的收集效率。光在金属电极之间的间隙被吸收，吸收面积取决于电极的宽度和间距， 因此叉指的结构参数对器件的性能影响较大。MSM 型器件的结构相对简单，易于集成，且由于肖特基势垒的存在，器件通常具有较低的暗电流。总体而言，MSM 型器件能够表现出优异的光电性能，因此具有十分广泛的应用。

2017年， Qian 等[30]  率先通过磁控溅射的方法首次制备了 a-Ga2O3   日盲紫外探测器。如图 2(a) 所示， 器件采用了 MSM 结构， 有效照光面积为 3.8 ×  10−4   cm2。实验设置了以 MBE 生长的薄膜制成的器件作为对照组，从 TEM 图像 (图 2(b)) 可以看出，磁控溅  射沉积的薄膜没有出现结晶，而 MBE 生长的薄膜的晶体结构与 β-Ga2O3  相对应。从实验结果来看， a- Ga2O3 探测器的响应度高达 70.26 A/W，远高于对照组 (4.21 A/W)，这主要归因于缺陷态导致的内部增益和带内跃迁。此外，器件还具有优异的光谱选择性和高灵敏度，它的 DUV-UV 抑制比超过 105 (图 2(c))，截止波长为 265.5 nm ，探测率达到 1.26×1014  Jones。而且，由于非晶薄膜粗糙表面导致的表面复合效应的增强，器件还具有 0.1 s 的快速恢复时间 (图2(d))。该项工作证实了利用 a-Ga2O3  薄膜构筑日盲紫外探测器的可行性，为相关的后续研究打下了很好的基础。

同年，Lee 等[31]  通过低温 ALD 技术在玻璃和聚酰亚胺 (PI) 基板上生长了一层超薄(≤50 nm) a- Ga2O3  薄膜。当薄膜的厚度为 30nm 时，探测器具有最优性能，在 λ = 253 nm 的光照下，具备 45.11 A/W  的响应度、200 pA 的暗电流和约 104  的光暗电流比； 在 λ = 266 nm 的光照下， 具有 2.97μs 的响应时间和  148μs 的恢复时间。当薄膜厚度薄至原子级 (约 3 nm ) 时，器件也同样具有可观的光暗电流比，这使得它与柔性器件具有良好的兼容性。

在上述工作的启发下，关于 a-Ga2O3  日盲紫外探测器的相关研究逐渐增多。一方面通过改善 a-Ga2O3 的制备工艺或者对薄膜进行掺杂来提高探测器的光响应性能；另一方面通过探索新型的柔性衬底和电极材 料来提高探测器的柔韧性和稳定性。

4.1.1  制备工艺优化

2017 年，Cu 等[32]  研究了磁控溅射过程中氧通量对 a-Ga2O3   日盲紫外探测器响应速度和响应度的影响。以 氧 通 量 作 为 唯 一 变 量 ， 分 别为 0 、0.12 、0.13 、 0.14 和 0.15 sccm。实验结果表明， 光电流和暗电流均随氧通量的增加而降低 (图 3(a) 和 3(b))，这是因为  通氧之后薄膜中 VO  的浓度降低， ITO/Ga2O3  界面的肖特基势垒增加。通过优化之后，器件可以获得最高超过 104 的光暗电流比和最快 19.1μs 的恢复时间(图 3(c)) 。2019 年，Zhang 等[56]  研究表明，在磁控溅射过程中通过精细控制氧通量，可以调节 a-Ga2O3  薄膜的电导率，从而实现 a-Ga2O3  日盲紫外探测器的光伏和光电导工作模式的转变。在 Ti/a-Ga2O3  界面附近分布的丰富的类施主氧空位造成了隧穿效应，形成欧姆接触。然而，严重的子带隙吸收和 PPC 效应降低了光电导探测器的适用性。相比之下，具有肖特基接触的光伏器件具备更低的暗电流 (<1 pA)、更高的探测率 (9.82×1012  Jones) 和更短的响应时间 (243.9μs)。 调节氧通量能提高性能的主要原因是氧空位的减少，使得带内缺陷态减少，从而抑制了PPC 效应。

2019 年， Han 等[57]  在磁控溅射过程中通过工作气压的调节，来优化 a-Ga2O3   日盲紫外探测器的性能。器件的电极区域由 12 对长 500μm 、宽 10μm、间距10μm 的叉指组成。 0.5 Pa 的气压下制作的器件，在240 nm 紫外光下响应度高达 436.3 A/W 。在 1.2 Pa 的气压下制作的器件具有低暗电流 (4.9 nA) 和高光暗电流比 (107314.4)。通过对比， 分析在不同 Ar 压力下沉积的 a-Ga2O3  薄 膜的电学特性和 增 益 机 制 ， 将  a-Ga2O3 探测器在 0.5 Pa 条件下的高响应归因于不同电阻元件之间的准齐纳隧穿倍增效应。而在 1.2 Pa 条件下的低暗电流和高信噪比则主要归因于器件中有更多的高阻成分和相对更高的隧穿增益。此外，通过调节气压还可以获得 0.08μs 的响应时间 (0.65 Pa) 和 0.21 ms 的恢复时间 (1.2 Pa)。这表明了磁控溅射中工 作气压对器件性能影响显著，是薄膜沉积过程中需要关注的重要参数。

2019 年，Li 等[58]  采用磁控溅射的方法在柔性 PI 衬底上制备了 a-Ga2O3  薄膜。通过优化薄膜的沉积温度 (50~200 ℃)，探测器的响应度和光暗电流比显著提高。随着温度升高，器件的响应度从 1.2 A/W 增长到 52.6 A/W， 光 暗 电 流 比 从 397 增 长 到 2.3  ×  105     (图 4(a))，恢复时间从 0.27 s 增加到 0.38 s (图 4(b))。2020 年，Zhu 等[59]  基于不同沉积温度 (200~500 ℃) 通过磁控溅射在石英上制备了 a-Ga2O3  薄膜。研究结果表明， 随着温度升高， 器件响应度从 1.46 A/W 增加到 138 A/W (图 4(c))，但响应/恢复时间从 0.29 s / 0.05 s 延长至 0.52 s / 0.32 s (图 4(d))。经过分析认为，随着沉积温度升高，薄膜中的 VO 浓度增加，从而提高了器件的响应度，但延长了响应时间。

2021 年，Pei 等[60]  研究了在不同衬底偏压 (VS) 下通过磁控溅射制备的 a-Ga2O3  薄膜的光响应特性。如图 5(a)和 5(b) 所示，衬底偏压可以有效地改变 a- Ga2O3  薄膜的表面粗糙度、相对质量密度、带隙宽度和 Ga/O 比。选择合适的衬底偏压，有利于最小化薄膜中的带内陷阱 (包括吸收氧、VO  和带尾态) 和微孔缺陷，这可能会大幅提高载流子的迁移率、堆积密度和寿命。优化之后的器件具有 13 A/W 的响应度。衬底偏压对于改善磁控溅射制备的薄膜质量也具有一定的辅助作用。

有研究表明， 对于 ALD 生长的 a-Ga2O3  薄膜，厚度也会显著影响材料及器件性能。2021年，Yang  等[61] 通过 ALD 制备了 a-Ga2O3  薄膜。通过线性拟合发现，当 ALD 循环次数分别为200 、400 和 600 次时， 薄膜的带隙 (Eg) 从 5.04 eV 下降到了 4.88 eV。执行了 600 次 ALD 循环的薄膜厚度约为28 nm ，制得的器件暗电流低至 10−13  A， 光暗电流比达到 4.5×104，响应时间为 0.09 s。在薄膜生长完成后， 使用 MoS2   多层膜对器件的光敏区域进行修饰，进一步提高了探测器的光电流。一方面归因于 MoS2  的带尾态导致的  界面处的光生载流子的陷阱效应，另一方面则归因于 MoS2 抑制了表面氧吸附。

除了对薄膜生长工艺参数的优化，薄膜沉积后的退火处理对器件性能的影响同样不容忽视。2022 年， Zhang 等[62]  通过磁控溅射制备了 a-Ga2O3  薄膜，通过对比发现，经过退火处理后的器件具有更低的响应度和更快的响应速度， 响应时间最多从 114 ms 降低到 48 ms ，同时响应度从 1.77 A/W 降低至 0.19 A/W。其归因于退火处理对于 VO 浓度的降低，使得响应度和响应速度之间折衷。

4.1.2  掺杂与合金化

掺杂与合金化是调控器件性能的另一有效方案，其主要作用包括： 提高器件载流子的迁移率、增加内部增益以及调控带隙。由于 a-Ga2O3  的载流子迁移率低，诸如 In 、Sn 等的引入可以有效提高材料的载流子迁移率， 进而提高器件整体的导电性。杂质的引入还能在禁带中引入陷阱能级， 陷阱能级一方面阻碍载流子的复合，另一方面引入内部增益， 对器件的响应度产生积极影响。然而，大量杂质的引入不可避免地造成 a-Ga2O3 带隙的减少，导致器件响应峰位的红移以及响应光谱的展宽，这将带来器件抑制比的下降。依据掺杂原子扮演施主或者受主，可将掺杂分为 N 型掺杂和 P 型掺杂。N 型掺杂的选择性更广， 可以有效提高材料的电子浓度和迁移率，是目前主要的掺杂类型； 相较而言， P 型掺杂的实现要困难得多。首先，a-Ga2O3  中空穴的有效质量太大，不能自由移动；其次，传统的 Zn 、Mg 、N 等受体杂质容易形成深能级缺陷，这并不能促进空穴浓度的增加；此外，VO  可以补偿空穴，这进一步抑制了 P 型掺杂的实现。

氧化铟 (In2O3) 是一种常见的 N 型半导体材料，带隙约为 3.6~3.75 eV ，In2O3  薄膜中的本征或天然缺陷作为施主，提供电子，有助于改善 a-Ga2O3  电导率过低的问题。2018 年，Chen 等[33]  采用共溅射法制备了非晶铟-镓氧化物 (IGO) 日盲紫外探测器。溅射期间改变氧气通量， 氧气浓度分别为 0%、2% 和 4%。 制 备 的 探 测 器 的 紫 外-可 见 光 抑 制 比 分 别 为 39 、9.9×103, 和 1.1×105 ，恢复时间分别为 5.79 s/52.12 s、 1.96 s/30.49 s 、0.02 s/0.75 s 。4% 氧气浓度的样品表  现出优异的紫外-可见光抑制比和恢复时间。2019 年， Fang 等[63] 通过磁控溅射在蓝宝石衬底上制备了 a- IGO 合金薄膜， 以此制得的器件在 235 nm光照下具有 18.06 A/W 的响应度、 4.9μs 的响应时间和 230μs 的恢复时间。经过分析认为，薄膜成分的不均匀分布导致不同区域的电阻率差异，从而带来了准齐纳隧穿内部增益，对响应速度和响应度产生了积极的影响。但与此同时， 实验测得薄膜材料的带隙为约 4.2 eV，因此器件在 210~330 nm 的波长范围都有较高的响应度，日盲抑制比相较 a-Ga2O3 探测器有所恶化。

Mg 的掺杂会向 a-Ga2O3  薄膜中引入受主缺陷， 与其本征施主缺陷 (例如 VO) 之间会发生电荷补偿， 减少光生载流子的俘获中心数量，有利于实现同时具有低暗电流和快速响应的 a-Ga2O3  探测器。 2019 年， Zhang 等[42]  通过 MOCVD 的方法在 n-Si 晶片上沉积了 Mg:GaOx。如图 6(a) 和 6(b) 所示， 掺杂之后的器件具有更低的暗电流 (48 pA) 和更大的光暗电流比(338)， 响应/恢复时间从 7.65 s/3 s 大幅降低至 0.02  s/0.15 s。

Tm2O3  的带隙约为 6.5 eV ，Tm 的掺杂可以加宽带隙， 且由于 Tm-O 键比 Ga-O 键更强， Tm 的掺杂还可以减少氧空位，加快器件的响应速度。2022 年， Qu 等[64]  采用 PLD 的方法在云母衬底上沉积了不同掺杂浓度的 (TmxGa1-x)2O3  薄膜。实验结果表明， 当 Tm - Ga 比为 0.05 和 0.95 时，器件的暗电流比不掺杂时降低了超过三个数量级， 低至 36.47 pA，而响应/恢复时间降低了约 5 倍， 低至 0.07 s/0.02 s。暗电流的降低归因于氧空位的减少带来的自由载流子减少以及带隙变宽导致的本征载流子减少。

4.1.3  柔性器件

无论是改进a-Ga2O3  薄膜的生长工艺，还是通过掺杂/合金化向薄膜引入其它金属元素， 这些研究主要都聚焦于探测器的响应度和响应速度等基本性能参数。然而， 由于 a-Ga2O3  薄膜具有生长温度低、无需晶格匹配衬底、制备工艺简单以及成本低廉等优点，它在柔性器件等领域具有突出的优势， 因此许多研究也将重心放在柔性性能方面， 以此来提升它在实际应 用场景下的兼容性和可靠性。常见方法包括采用柔性电极和柔性衬底。

2019 年，Kumar 等[65]   以非晶氧化铟锌 (a-IZO) 作为电极，制备了高性能和高灵活度的 a-Ga2O3   日盲紫外探测器。a-IZO 透明导电电极通过射频叠加直流溅射沉积。与传统的高反射金属电极相比，IZO 在可见光和红外下的透明度大于 85%。探测器表现出43.99 A/W 的高响应度，外量子效率高达2.18×104%。此外， 研究者还对器件进行了重复弯曲实验，在 30 cm弯曲半径下弯曲一次， 光电流减少了 28.6%， 在进行了 500 次拉伸/释放循环后，光电流减少了38.8%。与之相比，传统的银电极在弯曲半径为 30 cm 的情况下完全失效。

2021年 ， 玄 鑫 淼 等 [66] 采 用 磁 控 溅 射 在 云 母  (mica) 衬底上生长了具有高透射率的 a-Ga2O3  薄膜，并以铝掺杂氧化锌 (AZO) 作为电极材料 ,制备了 a- Ga2O3  透明日盲紫外探测器。a-Ga2O3  薄膜生长在云母上，在 400~800 nm 区域内的平均透射率超过 80%， 而 AZO 薄膜在可见光区域平均透过率高于 90%， 以此制得的器件具有很高的透明度。器件在 254 nm光照下的响应度为 2.69 A/W,响应和恢复时间为 0.14  s/0.31 s。在曲率半径 7.5 mm下经过 300 次机械弯曲后, 器件响应度为 2.01 A/W， 响应时间和恢复时间为  0.15 s/0.24 s。器件性能没有出现明显的衰减, 表现出良好的柔韧性和稳定性。

2020 年，Xiao 等[67]  在聚乙烯萘酸酯 (PEN) 衬底上制备了基于 a-Ga2O3  薄膜的柔性日盲紫外探测器。器件的响应度为 3.7 mA/W，响应时间为80 ms，探测率为 1.14×1012  Jones，紫外-可见光抑制比为 6.1×103，光暗电流比超过 105 ，这与刚性衬底上制备的器件相比也不落下风。器件在进行 100 次机械弯曲实验后，光电流降低了 5% ，在 1000 次弯曲实验后，光电流降低了 16%，展现出出色的稳定性。

2021年， Wang 等[68]  在聚对苯二甲酸乙二醇酯 (PET)/ITO 柔性衬底上制备了银纳米线 (Ag-NWs)/a- Ga2O3 探测器 (图 7(a)) 。Ag-NWs 用乙醇稀释后， 旋涂在样品表面， 如图 7(b) 所示， Ag-NWs 的直径约 150 nm ，长度为 10~100 μm。纳米线相互之间平滑紧密地连接， 提供二维导电通道。在旋涂次数少于 20 次的情况下，Ag-NWs 电极在可见光区域透射率高于 80%。随着旋涂次数的增加，Ag-NWs 的密度和电导 率也随之增加，但透射率降低。经过优化后，器件具 有 0.23 μA/W 的响应度和 0.24 s 的响应时间。将 PET 基板弯曲到不同的曲率半径， 发现其光电性能在 0.25% 的应变下几乎没有变化 (图 7(c))，展现出良好 的机械性能。

2021 年， Xiong 等[69]  基于 Ni/ a-Ga2O3/AlN/Cu 结构，提出了一种可弯曲且热稳定好的日盲紫外探测器。通过磁控溅射的方法，先在铜箔衬底上沉积了一层 300nm 的 AlN， 再沉积 40nm 的 a-Ga2O3 ，并以 Ni 作为电极， 电极间的有效照光面积约为 1 × 10−3  cm2。 铜箔可弯曲且能承受高温环境，AlN 可以承受机械拉伸应力， 并作为 a-Ga2O3  和 Cu 之间的绝缘层。器件具有 0.518 A/W 的响应度， 响应时间为 0.17 s。在不同弯曲半径 (0~1.9 cm) 和温度 (0~200 ℃) 下，器件都显示出稳定的响应特性。

4.2  结型器件

a-Ga2O3  材料内部通常存在较多的缺陷态， 这使得探测器的 PPC 效应通常更加显著， 器件的响应速度较慢。结型器件通过在界面处形成内建电场，加速光生载流子 (电子-空穴对)的分离，并降低被陷阱俘获的几率， 因而理论上可以大幅提高光电探测器的响应速度。同时，由于结处势垒的存在， 限制了平衡状态下界面处载流子的输运，这使得结型器件的暗电流有望维持在较低的水平，进而使得结型器件的探测率和信噪比 (SNR) 理论上更占优势，尤其适用于微弱信号的探测。结的形成是多样的，对于 a-Ga2O3 ， 由于 P 型掺杂难以实现，同质结的形成较为困难。因此，与其它半导体材料构成的异质结或者与金属构成的肖特基结是目前构筑 a-Ga2O3 结型器件的主要方式。

4.2.1  肖特基结型器件

2021 年， Wang 等[70]  报道了基于 a-Ga2O3/ITO  肖特基结的日盲紫外探测器，器件结构如图 8(a) 所示。 在 10 V 的正向和反向偏压下， 室温制备的器件的电阻值分别约为 105  Ω 和 109  Ω，整流比高达 104 ，而  100 ℃ 、300 ℃ 和 500  ℃ 制备的器件整流比则分别  为 596 、69 和 13 (图 8(b))。如图 8(c) 所示， 在反向偏压下， ITO 导带中的电子由于导带差(ΔEc) 过大 (2.07 eV) 而难以越过势垒， 从而在界面附近积累， 而 a-Ga2O3  中的电子继续向阳极移动。随着反向电场不断增加，界面处耗尽区逐渐变宽。当施加电场达到一定值时，光生载流子将获得足够的能量并引发碰撞电离，从而触发耗尽区的雪崩倍增。室温制备的器件在 40V 的反向偏压下具备超高响应度 (5.9 × 104 A/W)  和探测率 (1.8 ×  1014  Jones)， 以及高达 2.9 ×  107% 的外量子效率，适用于极弱信号的检测。而且，器件依旧保持着较快的响应速度 (图8(d))。相比而言，高温生长的 a-Ga2O3  薄膜发生了一定程度的结晶， 由于晶格失配和晶体结构不兼容，薄膜中出现大量位错、氧 空位等缺陷。在这种情况下，异质结在击穿前无法承受较高的反向偏压，泄漏电流易从晶界流出，导致界面耗尽区的内建电场相对较小，载流子倍增效应不再显著。

4.2.2  异质结型器件

2021 年，Cao 等[71]  报道了一种 a-Ga2O3/p-Si 异质结，并通过氧等离子体处理，减少 a-Ga2O3  薄膜中的 VO 浓度，从而进一步降低暗电流，并提升光响应特性。器件结构如图 9(a) 所示，器件表面呈现阵列式的微金字塔结构，这是因为预先对 p-Si 衬底进行了化学蚀刻， 目的是增加有效表面积， 以提高器件的光吸收能力。实验发现，氧等离子体处理使器件暗电流从  1.01 × 10−3  A 降低至 1.04 × 10−4  A，而响应度则从 3.7 mA/W 增加到 9.97 mA/W，恢复时间从 15.6 ms 大幅  缩短至 1.83 ms (图 9(b) 和 9(c))。研究人员认为， 氧等离子体处理有助于降低 a-Ga2O3  薄膜中 VO  的浓度，减少电子数量。费米能级的降低使得界面处能带弯曲与势垒减少， 从而有助于 ITO 电极对流入电子的收集。

2022 年，Ni 等[72]  在三维海胆状 ZnO 纳米棒阵列上 利用 ALD 生 长 富 含 VO   的 a-Ga2O3  薄 膜 (3D VO - Ga2O3/ZnO)，生长过程如图 10(a) 所示。以此为基础， 制备了一种光电化学 (PEC) 型日盲紫外探测器。探测器在 0V 偏压下，具有 7.97 mA/W 的响应度和 6.93 ×  104  的 光 暗 电 流 比 ， 响 应 /恢 复 时 间 为 0.15  s/1.1  s  (图 10(b))。分析认为，a-Ga2O3/ZnO 异质结构建的内建电场可以自发驱动光生电子-空穴对在界面上的分离和定向输运。三维纳米结构促进了载流子的迁移以及更大的暴露面积，从而进一步提高了器件的光响应性能。

除了常见的半导体材料，二维材料如石墨烯 (GR) 等也被用来构建 a-Ga2O3  基异质结。 2020 年， Wang 等[73]  制备了基于 GR/a-Ga2O3  范德华异质结的柔性日盲紫外探测器， 图 11(a) 展示了探测器的结构。 首先， 使用聚甲基丙烯酸甲酯 (PMMA) 辅助湿转移方法将单层石墨烯转移到 PI 基板， 随后在室温下使用掩模版在 GR 上生长 a-Ga2O3  薄膜。当 a-Ga2O3  与GR 接触时，a-Ga2O3  附近的能带向上弯曲，在 GR/a-  Ga2O3  界面处产生内建电场 (图 11(b))。该内建电场的存在有效促进光生电子-空穴对的分离，其中电子被 a-  Ga2O3  上的 Au/Ti 电极收集，并将空穴注入石墨烯中。该器件具有约 105  的光暗电流比， 响应度达到 22.75 A/W。此外， 器件还具有出色的机械性能。 在 1000 次弯曲循环 (弯曲半径为 10 mm) 或 500 次扭转循环 (20°) 之后，光电流仍然维持在原有的80% 以上。

4.3  TFT 型器件

在两端器件结构的基础上增加栅极，可以构筑成薄膜晶体管 (TFT)，通过合理地施加栅极电压可以使 得载流子在沟道中积累，从而进一步提高探测器的内部增益和光电流， 同时也可以抑制暗电流。此外，在 光照结束后，通过对栅极施加一个脉冲电压，还有助于加速有源区内非平衡载流子的复合，抑制 PPC 效应。

2019 年，Qin 等 [74]  通 过 磁 控 溅 射 的 方 法 在Si/SiO2  衬 底 上 沉 积 a-Ga2O3  薄 膜 ， 制 备 了 a-Ga2O3 TFT (图 12(a))。借助栅极调控，器件的暗电流得到有效抑制。例如，在−40V 的栅极偏压下，暗电流从 10μA 降低至约 0.1μA(图 12(b)) 。在 VDS  =  10 V 时， 器 件具有 4.1 × 103  A/W 的响应度、 2 ×  106% 的外量子 效率和 2.5 × 1013  Jones 的探测率。此 a-Ga2O3  TFT 作为传感像素，实现了高质量的日盲紫外成像。

2020 年 ， Han 等 [75]  利 用 高 选 择 性 蚀 刻 溶 液  (TMAH) 对 a-Ga2O3  薄膜进行图案化， 在此基础上制备了 a-Ga2O3  TFT。栅-源电压 (VGS) 从−100 V 到 200 V 的扫描过程发现，图案化 TFT 呈现典型的转移特性曲线， 而未图案化的 TFT 在栅压为 50 V 左右时，栅源泄漏电流 (IGS) 急剧增加 (图 13(a))。研究人员将此归因于 a-Ga2O3  和 SiO2  界面处大量存在的 VO  和悬挂键等缺陷态。该图案化 a-Ga2O3  TFT 具有约 107   的高开关电流比以及 5.67 × 103 A/W 的日盲紫外响应度。 通过施加正栅压脉冲， 器件的恢复时间降低至 5 ms(图 13(b))，有效抑制了 PPC 效应。

2020 年 ， Xiao 等 [76] 通 过 旋 涂 法 生 长 a-Ga2O3: CdO 薄膜，并制备成 TFT。研究表明， 随着 Cd 含量从 0% 增加到20% ，薄膜的带隙从 4.83 eV 线性下降到 4.05 eV， 而开启电压则从 21.0 V 左移至−2.2 V，开关电流比从4.4 × 103  上升至 3.3 × 105 ，饱和迁移率从 0.004 cm2/V·s 提高到 0.63 cm2/V·s。优化后的器件具有 2.17 A/W 的响应度、1036% 的外量子效率和 1.71 × 1012  的探测率。此外， 与 MSM 型器件相比， 该 TFT 还具有较低的能耗。

2021 年， Xu 等[77]  通过雾化学沉积 (mist-CVD) 的方法生长了 a-Ga2O3  薄膜，并制备了 a-Ga2O3  TFT，研究对比了不同温度 (300~700 ℃) 下制备的器件性能。 400 ℃ 沉积的薄膜具有最均匀的表面， RMS 值低至 0.385 nm，探测器具有最高的响应度。在 VGS  = −10 V， VDS  = 10 V 的条件下， 器件具有 2300 A/W 的超高响应度，探测率达到 1.87×1014  Jones， 外量子效率为1.12×106 %。

2021 年，Maria 等[78]  通过射频磁控溅射制备了 a- Ga2O3  TFT，通过控制沉积功率和工作气压， 实现了对薄膜电阻率较大范围内的调控。经过优化，器件具有 0.511 cm2/V·s 的迁移率， 紫外-可见光抑制比达到 103 。在 VGS  = 0 V 时，器件具有 102  A/W 的响应度和 1015  Jones 的探测率，VGS  = 6 V 时响应度甚至高达 104 A/W 。

2022 年，Han 等[79]  报道了一种 InGaZnO (IGZO)/ a-Ga2O3  双有源层 (DAL)TFT。首先， 利用磁控溅射在石英基片上沉积 Cr 薄膜作为栅电极，之后采用 ALD 生长 Al2O3 绝缘层，然后通过磁控溅射沉积超薄的 IGZO 层和 25 nm 的 a-Ga2O3  薄膜。研究发现，过厚的 IGZO 层将导致器件的亚阈值摆幅增加，将其归因于 IGZO 薄层中电子累积导致的屏蔽作用的增强。

此外，氧气通量的增加则导致明显的迟滞效应，将其归因于薄膜生长速度的下降导致溅射时间的增加，从而在界面处引入了过多的缺陷。优化后，DAL TFT 器件表现出稳定和优异的栅控能力，且具备良好的光响应特性。器件的开关电流比达到 108 ，迁移率为 8.3  cm2/V，亚阈值摆幅为 0.36 V/dec 。在 254 nm 光照下， 器件具有 108  的光暗电流比、4.8 × 103  A/W 的响应度和 8 × 1015  Jones 的探测率， 但紫外-可见光抑制比 (R254/R400) 只有 64。

4.4  阵列型器件

图像传感器是日盲紫外探测器的主要应用方向之一，想要实现大面积的日盲紫外成像，则需要构建探测器阵列。 图 14(a) 到 14(f) 展示了近期的部分成像效果示意图，不难看出，探测器单元的集成度和灵敏度 是影响成像分辨率与对比度的关键因素。

2019 年，Chen 等[80]  通过折纸法在 PET 基板上生长 3D a-Ga2O3   日盲紫外探测器阵列。如图 15(a) 所示， 器件包含 24 个光电探测器单元， 分布在 8 个臂上，每个臂上的 3 个探测器单元位于半球的不同纬度。每个单元都是一个独立的 MSM 型探测器，由 5 对长 250μm 、宽 10μm、间距 10μm 的叉指组成，且性能一致。探测器单元的暗电流为 0.17 nA，峰值响应度约为 8.9 A/W， 外量子效率为 4450%， 截止波长为 268nm ，紫外-可见光抑制比大于 103 ，日盲抑制比 (250nm / 300nm) 则超过 102。经过 2000 次弯曲循环后， 器件依然具有稳定的性能 (图 15(b))。该器件可以实现实时光轨迹捕捉和多点光空间分布识别等功能。

2021 年，Qin 等[81]  利用磁控溅射沉积 a-Ga2O3  薄膜，并在 N2 气氛以及400 ℃ 下进行了退火处理。其制备的日盲紫外探测器的光暗电流比达到 3.9 × 107， 响应度高达 733 A/W，恢复时间低至 18 ms ，探测率  高达 3.9 × 1016  Jones。通过扫描电子显微镜 (SEM) 和原子力显微镜 (AFM) 观测到，退火后的 a-Ga2O3  薄膜表面形貌光滑、均匀度高。使用开尔文探针力显微镜 (KPFM) 对器件行为进行观测，结合密度泛函理论 (DFT) 计算分析表明， 沉积后退火处理增加了 Ti/Au  金属层与 a-Ga2O3  界面处的 VO  数量， 带来肖特基势垒降低效应，因此具有较高的内部增益。在此基础上，制作了大尺寸、高均匀性的 32 × 32 图像传感器阵列，获得清晰的目标图像。

2022 年， Huang 等[82]  利用磁控溅射在蓝宝石衬底上沉积了 a-Ga2O3  薄膜，并以石墨碳作为电极，制备了日盲紫外探测器。测试表明，碳电极在整个日盲区都具有超过 90% 的透射率，从而大大增加了器件的有效照光面积。在 254nm 光照下，器件具有 16.34 A/W 的响应， 1.19×1013  Jones 的探测率和 7979% 的外量子效率。以此为基础制作了 3×3 的探测器阵列，获得了目标的“C”字型图像 (图 14(d))。

同年，Ji 等[83]  利用磁控溅射生长了 a-Ga2O3  薄膜， 并制备了非对称式的肖特基光电二极管。器件的响应度高达 1021.8 A/W，光暗电流比达到 2.3×106 ，响应/ 恢复时间低至 144/208 ms ，探测率更是达到 1.66×1016   Jones。探测器优异的性能归因于 a-Ga2O3  薄膜中大量的氧空位带来的高质量的肖特基接触。在此基础上制作了 10×10 的探测器阵列， 实现了具有高对比度的“E”字符成像 (图 14(f))。

5  总结和展望

相较于单晶或外延 Ga2O3 ，a-Ga2O3  薄膜具有制备温度低、制备工艺简单、衬底兼容性高等优点，在日盲紫外探测器领域展现出巨大的发展潜力，近年来逐渐被该领域研究人员所重视。2017年以来， 随着研究的日趋深入和优化，a-Ga2O3  日盲紫外探测器性能获得大幅提升，相关研究成果也受到越来越多的关注。

首先，a-Ga2O3  薄膜的制备是影响探测器性能的基本要素。薄膜生长过程中的气体流量、工作压力、衬底偏压、生长温度、薄膜厚度以及沉积后退火处理等，都会对器件性能造成影响。通过对上述工艺参数的优化，可以对薄膜内部氧空位的数量进行控制，从而对探测器的响应速度和响应度等关键参数进行精确调控。上述制备工艺的研究已经相对比较成熟，目前研究的重心正逐步走向其他维度。

掺杂/合金化是调控 a-Ga2O3  薄膜特性的有效手段之一 。a-Ga2O3  的载流子迁移率偏低，通过引入 In 和  Cd 等杂质可以有效提高材料的载流子迁移率，进而提高器件的电输运能力。而且， 由于杂质陷阱能级的引入，器件的内部增益有可能会进一步提高，这对于获得高响应度起到积极的作用，但响应速度的恶化是必须兼顾的问题。此外， 掺杂/合金化还可以调节材  料的带隙。但考虑到 a-Ga2O3  自身的带隙与日盲紫外波段匹配较好，因此 In 等杂质的引入导致的带隙变窄以及器件响应波长的红移，可能对日盲紫外探测器的波长选择性带来不利，这是需要权衡的一个重点。目前，对于在 a-Ga2O3  薄膜中进行掺杂/合金化的研究还处在起步阶段，尚需要进一步的深入探索。

构筑结型器件是优化探测器性能的另一个维度，尤其是针对探测速度而言。在内建电场的作用下，光生电子-空穴对通常能够快速分离，从而不易被陷阱俘获，这使得结型器件理论上具有更快的响应速度。同时，空间电荷区以及势垒的存在，还有助于抑制器件的暗电流，增强探测器对微弱信号的监测能力。已有研究发现，基于肖特基结的a-Ga2O3  雪崩光电二极  管，具有极高响应度的同时，并没有牺牲响应速度。此外，研究证实能与 a-Ga2O3  构筑结型器件的材料很多，这其中包括 Si 、ITO 和石墨烯等，但都或多或少面临大量界面态的问题，这会严重影响甚至恶化探测器的性能。因此，选取合适的材料以及构建良好的界面都是未来 a-Ga2O3 结型器件研究的重点。

TFT 型器件出色的增益放大的能力以及栅压脉冲对于 PPC 效应的抑制作用已经得到证实。但由于 a-Ga2O3   自身的迁移率极低，其构建的 TFT 型器件，很难实现有效的电流调制。除了摸索严苛且狭窄的工艺窗口以外，对 a-Ga2O3  薄膜进行掺杂/合金化， 是实现 TFT 型器件的一个有效的解决方案。但正如之前所述， 因此带来的带隙变窄、响应波长红移则使得杂质的剂量必须得到严苛控制。

柔性器件和阵列型器件，是研究人员针对探测器在实际场景中的应用而开辟的研究方向。前者的难点在于柔性衬底的选择以及如何在柔性衬底上生长出高质量的 a-Ga2O3  薄膜，而后者在于高分辨图像传感器对探测器的集成度、均匀性和灵敏度的高要求。目前两个方向的研究都取得了阶段性的成果，发展态势良好。

最后，我们将不同器件类型的 a-Ga2O3   日盲紫外探测器的关键性能指标归纳如下 (表 1)。不难看出， a-Ga2O3 是极具潜力的日盲紫外探测材料， 而目前该领域的研究尚处于起步阶段，无论是材料特性还是器件机理，尚需要进一步完善和挖掘。

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