通过与氧相关缺陷态提高β-Ga2O3金属–半导体–金属太阳盲光电探测器的响应度

为什么看不见的阳光很重要

来自太阳的大部分光对我们要么无害，要么有益，但在深紫外谱段有一小段既可能危险又出人意料地有用。只能探测这种“太阳盲”波段——大气在到达地面前会大量阻挡的光——的设备，在早期火焰检测、保密无线链路和导弹预警系统中非常受重视，因为普通阳光造成的背景噪声几乎为零。本文探讨了一种特定晶体——β-氧化镓——如何通过工程手段利用涉及氧原子的微小缺陷，大幅提高此类探测器对微弱紫外信号的响应灵敏度。

只看到危险的微光

太阳盲光电探测器被设计为对约190至280纳米之间的深紫外光有强烈响应，同时忽略可见光。传统的硅传感器在该波段表现不佳，通常需要复杂的滤光器。相比之下，β-氧化镓具有异常宽的能隙，自然与这个太阳盲区域对齐。它还耐高温、耐恶劣环境，且可在较大且相对廉价的晶圆上生长，使其成为未来大面积探测阵列和耐用传感系统的有吸引力的候选材料。

用热调控微小瑕疵

作者使用一种类似半导体工业中使用的气相沉积方法，在蓝宝石基片上以三种不同温度——700、800和900°C——生长了薄的β-氧化镓薄膜。随后他们制备了简单的金属–半导体–金属器件，其中交错的金属指状电极位于薄膜表面，收集光照产生的电流。X射线衍射测量显示，随着生长温度升高，晶体结构出现了轻微的应变；而X射线光电子能谱则揭示了与氧相关的缺陷态增多：晶体中氧原子缺失或移位的位点。这些微妙变化还推动了电子能级的移动，使材料更明显地表现为n型，即更易导电子。

缺陷如何将光转为更强的信号

当研究人员用254纳米的深紫外光照射这些器件时，所有器件都表现为简单的光激活电阻：光越强，电流越大。但它们的性能差异明显。生长温度最高、与氧相关缺陷浓度最大的器件显示出迄今为止最强的响应。在900°C时，该探测器达到了约4.2 × 10⁴安培/瓦的响应度，外量子效率远高于100%，表明每个入射光子有效地在电路中产生了多个载流子。作者将该增益归因于缺陷辅助光激发：与氧相关的态充当了阶梯，捕获并释放电子，延长了电子的寿命，使其在复合前能在器件中反复循环。

强度与速度之间的权衡

放大信号的那些缺陷同样会使响应变慢。时间分辨测量表明，随着生长温度——从而缺陷密度——增加，探测器在关光后恢复到“关闭”状态所需的时间变长。光开时的上升时间略有变快，这是因为大量缺陷和更高的电导率有助于电流快速累积。但衰减时间则被拉长，反映出电子被缺陷位点间歇性地俘获然后释放。结果是一个对弱紫外光极其敏感但对快速变化反应迟缓的探测器，这种折衷对诸如低强度紫外监测或模拟生物突触那种缓慢、具记忆特性的响应的设备来说，可能是可接受的甚至有用的。

这对未来紫外“之眼”意味着什么

通俗地说，这项研究表明，谨慎引入并调节晶体中的“有益缺陷”可以显著提高紫外相机的灵敏度，尽管这些缺陷会在一定程度上降低晶体的完美性。通过调整生长温度，研究人员能够控制充当电子临时“寄存仓”的与氧相关缺陷态，将每次不可见紫外闪光转化为放大的电学响应。尽管这以速度为代价，但该工作为设计下一代太阳盲探测器提供了明确的指导：灵敏度与响应时间之间的平衡可以通过材料的生长条件简单地设定。

引用: Yan, S., Ding, Z., Jiao, T. et al. Boosting the responsivity of β-Ga₂O₃ metal–semiconductor–metal solar-blind photodetectors through oxygen-related defect states. Sci Rep 16, 10176 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40487-6

关键词: 太阳盲光电探测器, β-氧化镓, 深紫外, 氧空位, 光响应度