Образование интерстициального кислорода при напылении для собственноручного обнаружения ближнего ИК в фототранзисторе IGZO

Видеть скрытый свет в обычных материалах

Многие невидимые сигналы, которые обеспечивают современную жизнь — например, в волоконно‑оптической связи, медицинских датчиках и проверке качества продуктов — находятся в ближней инфракрасной (БИК) части спектра, чуть дальше красного света. Для их регистрации обычно требуются сложные и дорогие материалы. В этой работе показано, как широко применяемый прозрачный полупроводник IGZO можно аккуратно «перенастроить» в процессе производства так, чтобы он самостоятельно реагировал на БИК‑излучение без дополнительных слоёв или экзотических добавок. Такая простота может значительно упростить и удешевить создание больших чувствительных камер и датчиков для задач от контроля качества кофе до носимой медицинской электроники.

Превращение обычной плёнки в сенсор света

IGZO — сокращение от индий галлий цинк оксид — уже является фундаментальным материалом для плоских дисплеев, поскольку хорошо проводит электричество и остаётся прозрачным. Но его большая внутренняя энергетическая щель обычно делает его чувствительным только к видимому и ультрафиолетовому свету, игнорируя менее энергичные БИК‑фотоны. Ранее пытались расширить чувствительность IGZO в БИК, добавляя квантовые точки или органические красители, либо сильно легируя материал. Эти подходы работают, но усложняют производство, увеличивают стоимость и могут создавать нестабильные интерфейсы, которые со временем деградируют в реальных устройствах.

Меняют угол, а не рецепт

Авторы выбрали удивительно простой путь: они сохранили ту же химию IGZO, но изменили метод осаждения тонкой плёнки. В стандартной конфигурации распыления «по оси» источник находится прямо над подложкой, и энергичные частицы ударяют по растущей плёнке более прямо. В альтернативной «внеосевой» установке источник ставят сбоку, так что частицы приходят мягче и под углом. Устройства из плёнок, полученных при распылении по оси, ведут себя как и ожидалось — реагируют только на видимый свет. Тогда как идентичные устройства из внеосевых плёнок внезапно проявляют сильную, воспроизводимую реакцию на БИК‑свет на длине волны 850 нм — при этом никаких дополнительных поглощающих слоёв не добавляли.

Невидимые кислородные «гости», которые меняют правила

Чтобы понять, почему только геометрия так сильно меняет поведение, команда изучила плёнки с помощью рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии, метода, выявляющего типы атомов и связей. Оба типа плёнок содержали почти одинаковые доли индия, галлия, цинка и кислорода, но во внеосевых плёнках обнаружили небольшую, но отличимую популяцию интерстициальных атомов кислорода — лишнего кислорода, втиснутого в пространства внутри атомной сети, а не занявшего обычные позиционные узлы решётки. Компьютерное моделирование на основе теории функционала плотности показало, что эти дополнительные кислородные атомы создают новые энергетические уровни сразу над валентной зоной плёнки, всего примерно на 0,1–0,5 электронвольт выше. Эти мелкоположенные состояния фактически уменьшают энергетическую щель, которую должен преодолеть падающий фотон, позволяя поглощать БИК‑фотоны там, где раньше они бы проскочили.

Как новые состояния усиливают сигнал

Когда на внеосевой IGZO‑транзистор падает БИК‑свет, электроны из этих мелких кислородсодержащих состояний поднимаются в более высокие уровни и в конечном счёте влияют на канал, по которому течёт ток между истоком и стоком устройства. Вместо простого поведения «вкл‑выкл» устройство действует скорее как светоуправляемый затвор: заряды, захваченные в мелких состояниях, модулируют электрическое поле в канале — процесс, известный как фотозатвор (photogating). Этот механизм естественным образом усиливает токовую реакцию, давая очень высокую чувствительность и детектируемость по сравнению со многими IGZO‑детекторами БИК, которые полагаются на внешние сенситизаторы. Цена за это — более медленное спадание сигнала, поскольку захваченные заряды медленно утекут обратно, но устройства остаются стабильными при многократных циклах и при хранении на воздухе в течение дней.

От лабораторного света до чашек кофе

Чтобы показать практический потенциал, исследователи использовали свои БИК‑чувствительные IGZO‑устройства для оценки содержания сахара в сваренном кофе. БИК‑свет способен проникать в тёмные жидкости, в которых видимый свет сильно поглощается, что удобно для такой задачи. Внеосевые устройства давали отчётливые, последовательно растущие фототоки по мере растворения всё большего количества сахара в кофе, а рассчитанные уровни сахара хорошо совпадали с показаниями коммерческого рефрактометра — особенно при высоких концентрациях, где стандартный прибор уступал. Поскольку метод изменения угла распыления прост, воспроизводим и совместим с существующей микроэлектронной технологией, его можно масштабировать до больших массивов датчиков для контроля пищевых продуктов, визуализации или интегрированных оптических схем.

Простой процесс, широкие новые возможности

Проще говоря, работа показывает, что знакомому материалу можно «научить» новую оптическую способность, изменив способ его «распыления» на поверхность, а не состав краски. Небольшое отклонение источника распыления стабилизирует крошечные скопления лишнего кислорода внутри IGZO, которые служат переходными ступенями для электронов при облучении БИК. Этот встроенный путь позволяет плёнке ощущать длины волн, которые она обычно игнорирует, превращая стандартный дисплейный материал в широкополосный фотодетектор без дополнительной сложности. Такой геометрически управляемый инжиниринг дефектов предлагает практичный и недорогой способ создавать чувствительные датчики БИК большой площади, легко интегрируемые в обычное электроизготовление.

Цитирование: Choe, J., Bong, H., Lee, H. et al. Sputtering-driven formation of interstitial oxygen for intrinsic NIR detection in IGZO phototransistor. Sci Rep 16, 11065 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40769-z

Ключевые слова: фотодетектор ближнего инфракрасного спектра, транзистор IGZO, тонкоплёночное распыление, инжиниринг дефектов, неинвазивное зондирование