溅射驱动的间隙氧形成用于IGZO光晶体管内在近红外探测

在日常材料中看到隐藏的光

现代生活中驱动诸多系统的许多不可见信号——比如用于光纤通信、医疗传感和食品检测的信号——都位于近红外（NIR）光谱段，刚好位于红光之外。检测这些光通常需要复杂且昂贵的材料。本文展示了如何在制造过程中通过温和地“重新调谐”广泛使用的透明半导体IGZO，使其自身响应近红外光，无需额外的层或稀有添加物。这种简洁性可能大幅降低构建大面积、高灵敏度相机和传感器的难度和成本，应用范围从咖啡质量控制到可穿戴健康监测。

把常见薄膜变成光传感器

IGZO（氧化铟镓锌）作为平板显示中的主力材料已有广泛应用，因为它在保持透明的同时具有良好的导电性。但其较大的内部能隙意味着它通常只对可见光和紫外光有响应，而忽略能量更低的近红外光。此前将IGZO推进近红外响应的尝试多依赖外加组件，如量子点或有机染料，或依赖强掺杂化学处理。这些方法虽然有效，但会使制程复杂化、提高成本，并可能产生在实际器件中老化较快的不稳定界面。

改变角度，而不是配方

作者采取了一个令人惊讶的简单途径：保持IGZO化学组成不变，但改变薄膜沉积的方式。在标准的“轴上（on‑axis）”溅射配置中，源材料直接置于衬底正上方，带能量的粒子直冲生长中的薄膜。在另一种“离轴（off‑axis）”配置中，源置于侧面，使得到达的粒子更加温和并以倾斜角度入射。由轴上薄膜制成的器件表现如预期，仅对可见光有反应。相比之下，用离轴薄膜制成且其他条件相同的器件，在850纳米的近红外光下突然表现出强且可重复的响应，而无需添加任何额外的吸光层。

改变规则的隐形氧“客体”

为了弄清为何仅凭几何就能显著改变行为，团队用X射线光电子能谱对薄膜进行了探测，这项技术能揭示存在的原子和键类型。两种薄膜中铟、镓、锌和氧的总体含量几乎相同，但离轴薄膜中存在一小部分明确不同的“间隙”氧原子——即额外的氧被挤入原子网络的间隙，而非占据常规的晶格位置。基于密度泛函理论的计算显示，这些额外的氧原子在薄膜的价带之上形成新的能级，能量仅高出约0.1到0.5电子伏特。这些浅能级有效地缩小了入射光需要跨越的能隙，使得原本会穿透的近红外光子能够被吸收。

新能级如何放大信号

当近红外光照射离轴IGZO晶体管时，位于这些浅氧相关态的电子被激发到更高的能级，并最终影响器件源极与漏极之间通道的电流。器件不再像简单的开关那样工作，而更像一个光控闸门：被困在浅态中的电荷调制通道中的电场，这一过程称为光闸效应（photogating）。该机制天然放大了电流响应，相比依赖外加增感剂的许多IGZO基近红外探测器，显示出非常高的响应度和探测率。代价是较慢的衰减时间，因为被困电荷需要泄漏回去，但这些器件在反复循环测试和多天空气存放后仍保持稳定。

从实验室光到咖啡杯

为说明实际应用潜力，研究者用他们的近红外敏感IGZO器件来估测煮好的咖啡中的糖含量。近红外光能穿透在可见光下被强烈吸收的深色液体，因此非常适合此类任务。离轴器件在糖浓度增加时产生清晰且逐步增大的光电流，计算得出的糖含量与商业折光计的读数吻合良好——在高浓度时尤其明显，商业仪器表现欠佳。由于改变溅射角度的方法简单、可重复且与现有芯片制造兼容，它有望扩展到用于食品监测、成像或集成光学电路的大面积传感阵列。

简单工艺，广泛新可能

通俗来说，这项工作表明你可以通过改变把材料“喷涂”到表面的方式，而不是改变材料配方，来教会一种熟悉的材料一种新的光学把戏。通过稍微倾斜溅射源，作者在IGZO内部稳定了微小的额外氧口袋，这些口袋在近红外光下为电子提供了跳板。这一路径使薄膜能够感测其通常忽略的波长，将一种标准显示材料变成无需增加复杂性的宽带光探测器。这样的几何驱动缺陷工程为构建敏感、低成本、大面积近红外传感器提供了一条务实且易于与常规电子制造流程对接的途径。

引用: 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

关键词: 近红外光电探测器, IGZO晶体管, 薄膜溅射, 缺陷工程, 非侵入式传感