基于通过MOCVD方法生长的a-Ga?O?晶体的晶圆级高性能柔性太阳盲紫外光电探测器

《Journal of Materials Science & Technology》：Wafer-scale high-performance flexible solar-blind ultraviolet photodetectors based on a-Ga 2O 3 grown by MOCVD

柔性紫外探测器通过氧空位调控和MOCVD工艺实现性能提升，大面阵器件在机械弯曲和温度变化下稳定性优异，成功制备144像素阵列并验证高对比度紫外成像能力。

　　柔性紫外光探测器因其轻质特性和对复杂表面的良好适应性，被广泛研究用于可穿戴电子设备和环境监测等领域。无定形氧化镓（a-Ga?O?）作为一种具有宽禁带（4.9 eV）的材料，非常适合用于柔性太阳盲紫外检测。然而，诸如氧空位等深层缺陷长期制约了基于a-Ga?O?的柔性探测器的性能。此外，实现大面积柔性器件仍然面临挑战，这限制了其进一步发展。为此，研究人员采用了一种富氧设计策略，有效缩短了探测器的响应时间至4.3/11.2毫秒，将暗电流抑制至0.3微安，并将探测器的带宽提升至600 dB。通过利用机械减薄和湿法刻蚀工艺，实现了4英寸晶圆级别的柔性a-Ga?O?探测器。值得注意的是，这些设备在转移前后以及在不同角度和温度下的反复弯曲中表现出高度一致的性能。此外，还制备了一款包含144个像素的大面积柔性探测器阵列，并成功演示了高对比度的紫外成像功能。本研究为实现高性能、晶圆级别的a-Ga?O?柔性探测器提供了重要的参考。

太阳盲深紫外光探测器（UVPD）通常在200–280纳米波段工作，是一种专门设计用于检测深紫外辐射的设备。与传统的光探测器如光电倍增管、互补金属氧化物半导体（CMOS）和电荷耦合器件（CCD）相比，基于超宽禁带半导体的太阳盲UVPD能够仅吸收深紫外辐射，同时显著抑制可见光，从而无需外部光学滤波器。这些特性使其在空间探索、环境监测和导弹尾焰检测等领域中成为不可或缺的工具，因为这些领域需要早期预警和紫外测量能力。随着各种新型宽禁带半导体材料的出现，如ZnMgO、AlGaN和氧化镓（Ga?O?），基于这些材料的UVPD表现出卓越的性能。其中，Ga?O?以其超宽禁带（4.9 eV）、高能带边光吸收系数（10? cm?1）以及优异的辐射耐受性和热化学稳定性，成为制造UVPD的天然材料。

在许多研究中，Ga?O?紫外光探测器展示了出色的光电性能，但大多数研究和应用仍然集中在刚性基板上的Ga?O?晶体薄膜，如蓝宝石和硅（Si）。与刚性基板相比，基于柔性基板的Ga?O?器件被认为能够提供更高的灵活性和适应性，适用于可穿戴设备、柔性电子和智能传感器等领域。然而，当晶体薄膜出现裂纹时，其晶体结构的完整性会被破坏，从而显著影响电子传输性能，进而降低整个光探测器的整体性能。因此，为了更有效地支持柔性电子设备的发展，Ga?O?薄膜不仅要保持其优异的性能，还需要具备适应柔性基板的能力，以满足关键的技术需求。无定形Ga?O?（a-Ga?O?）薄膜由于其无序的原子排列和缺乏长程有序的晶格结构，表现出良好的适应性，能够承受柔性基板的变形和弯曲，因此是制造柔性器件的理想材料。

Xiao等人曾报道过一种基于聚对苯二甲酸乙二醇酯（PEN）基板的柔性Ga?O?紫外光探测器，其响应度达到3.7 mA/W，探测度为1.14 × 1012 Jones。该设备的性能与基于刚性基板的设备相当，并且具有良好的稳定性。同年，Wang等研究者制备了一种基于石墨烯和a-Ga?O?异质结的柔性UVPD，其在254纳米照射下实现了约10?的光电流与暗电流比（PDCR），以及22.75 A/W的响应度，也表现出出色的环境稳定性和机械灵活性。尽管基于a-Ga?O?的柔性UVPD在光响应和环境稳定性方面被报道具有优异性能，但a-Ga?O?中氧空位（V?）的存在对设备性能的影响尚未被充分考虑。在a-Ga?O?中，氧空位是常见的本征缺陷，容易形成并积累。这些空位在禁带中引入了缺陷相关的状态，充当电子陷阱或浅层施主。被捕获的载流子会在一定时间后释放，从而增强载流子捕获和持久光电导（PPC），增加暗电流，并显著影响载流子复合动力学。因此，禁带间的跃迁主导了快速响应，而陷阱辅助过程则控制了慢速响应部分，导致设备响应时间延长和恢复速度缓慢。此外，基于Ga?O?的柔性UVPD通常通过直接在柔性基板如PEN和聚酰亚胺上沉积a-Ga?O?薄膜来制备。虽然这种方法提供了良好的机械灵活性，但忽略了柔性基板表面粗糙度的影响，这可能导致沉积的Ga?O?薄膜中出现高密度的缺陷，从而影响设备性能。因此，调控氧空位缺陷并开发合适的柔性器件制造工艺，对于实现大面积、高性能的a-Ga?O?柔性UVPD至关重要。

本研究采用了一种富氧调控策略，通过在金属有机化学气相沉积（MOCVD）生长过程中增加氧气流量，从200提升至1000标准立方厘米每分钟（sccm），显著降低了氧空位的浓度。结合现代大规模制造技术，晶圆级别的柔性器件得以实现，从而大幅扩展了光敏感区域，并实现了更精确的紫外检测范围，同时具备低成本、高效率的生产潜力。为了实现这一目标，a-Ga?O?薄膜被沉积在4英寸的Si/AlN复合基板上，其中AlN缓冲层被插入以缓解与Si之间的热失配，并在薄膜转移过程中起到刻蚀屏障的作用。基于这种异质结构，制造了柔性金属-半导体-金属（MSM）结构的太阳盲UVPD。该设备在基板转移前后均表现出优异的性能，其平均响应度分别为212.01和294.2 A/W，外部量子效率（EQE）分别为1028.25%和1426.87%。记录到的PDCR超过103，转移后的瞬态响应时间达到7.1/13.6毫秒。此外，设备在不同弯曲半径、温度和光照强度下均表现出出色的机械灵活性和运行稳定性。其成像能力也被成功演示。本研究为实现晶圆级别的a-Ga?O?柔性UVPD提供了一种实用且可扩展的策略，并为其在先进紫外成像系统中的集成奠定了坚实基础。

为了进一步验证这些性能，研究人员对a-Ga?O?薄膜进行了全面的结构和成分表征。图2（a）展示了Si（111）基板、Si/AlN复合基板和Ga?O?样品的XRD 2θ图谱。除了Si和AlN的衍射峰外，未观察到其他明显的衍射峰，证实了Ga?O?薄膜的非晶特性。图2（b）展示了a-Ga?O?薄膜的横截面扫描电子显微镜（SEM）图像和高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）图像。这些图像清晰地呈现了薄膜的微观结构，进一步验证了其非晶态的特征。此外，研究人员还通过能量色散X射线光谱（EDX）对薄膜的元素组成进行了分析，结果显示了Ga和O元素的均匀分布，证明了薄膜的高质量和均匀性。

在性能测试方面，研究人员对制备的柔性a-Ga?O?紫外光探测器进行了系统的电学性能评估。通过电流-电压（I-V）测试，测量了探测器在不同光照条件下的响应特性。结果显示，探测器在太阳盲波段（200–280纳米）内具有良好的光响应，且在黑暗条件下暗电流显著降低。此外，研究人员还通过时间分辨光响应测试评估了探测器的响应速度，发现其瞬态响应时间达到了4.3/11.2毫秒，表明其具有快速响应和快速恢复的能力。在机械性能测试中，研究人员对探测器在不同弯曲半径和温度下的性能进行了评估，结果表明设备在反复弯曲和温度变化下仍能保持稳定的性能，显示出良好的机械灵活性和环境适应性。

在成像测试方面，研究人员将制备的柔性a-Ga?O?探测器阵列应用于紫外成像系统，并成功演示了高对比度的紫外图像。通过调整探测器阵列的排列和像素密度，研究人员实现了对不同场景下的紫外成像能力，证明了该技术在实际应用中的潜力。此外，研究人员还对探测器在不同光照强度下的性能进行了评估，结果显示其在高光照强度下仍能保持良好的光响应，表明其具有良好的灵敏度和稳定性。这些实验结果表明，基于a-Ga?O?的柔性紫外光探测器在性能、机械灵活性和成像能力方面均表现出优异的特性，为其在实际应用中的推广奠定了基础。

本研究的创新点在于通过富氧调控策略有效抑制了氧空位的浓度，从而显著提升了探测器的性能。同时，采用Si/AlN复合基板和机械减薄、湿法刻蚀工艺，实现了大面积、高质量的柔性探测器。这些技术的结合不仅解决了传统柔性探测器在大面积制造和性能稳定性方面的难题，还为未来柔性电子器件的发展提供了新的思路。此外，通过开发柔性MSM结构和优化薄膜转移工艺，研究人员成功制备了具有高对比度成像能力的探测器阵列，进一步拓展了该技术的应用范围。这些成果为实现高性能、可扩展的柔性紫外光探测器提供了重要的技术支撑，并有望在可穿戴设备、环境监测和安全防护等领域中发挥重要作用。

在实际应用方面，基于a-Ga?O?的柔性紫外光探测器可以用于监测大气中的紫外辐射水平，帮助评估环境质量。此外，该技术还可应用于医疗领域，用于检测人体皮肤的紫外暴露情况，从而提供健康保护建议。在工业检测中，该探测器可用于监测生产过程中可能产生的紫外辐射，确保工作环境的安全性。在军事领域，该技术可用于导弹尾焰的紫外监测，提高早期预警能力。在航天领域，该探测器可用于监测宇宙空间中的紫外辐射，为深空探测任务提供支持。此外，该技术还可应用于智能传感器网络，实现对环境和人体的实时监测，提高系统的智能化水平。

本研究的成果表明，通过优化材料生长工艺和器件结构设计，可以有效提升柔性紫外光探测器的性能。同时，采用现代大规模制造技术，使得设备的生产更加经济高效，为未来的商业化应用提供了可能。此外，通过调控氧空位缺陷，研究人员成功提升了探测器的响应速度和灵敏度，使其在实际应用中更加可靠。这些成果不仅推动了柔性电子器件的发展，也为紫外光探测技术的进步提供了新的方向。在未来的研究中，可以进一步探索不同基板材料对探测器性能的影响，以及如何优化器件结构以提高其在复杂环境下的适应性。此外，还可以研究如何将该技术与其他传感器技术结合，实现多功能的智能检测系统。这些研究方向将有助于推动柔性紫外光探测器在更广泛领域的应用，提高其在实际应用中的价值和意义。