氧流量调控射频溅射NiGaO薄膜的导电性与光电探测器性能增强研究

为解决Ga2 O3 薄膜高电阻率问题，厦门理工学院团队通过射频磁控溅射（RF sputtering）技术制备Ni掺杂Ga2 O3 （NiGaO）薄膜，系统研究氧流量比（0-2.5%）对薄膜光学、电学及化学性质的影响。研究发现，2%氧流量比下薄膜载流子浓度达2.2×1017 cm-3 ，电阻率降至12.9 Ω·cm；基于该薄膜的金属-半导体-金属（MSM）型光电探测器实现1341.8开关比、13.64 mA/W响应度及0.43/0.31 s快速响应。该研究为太阳能盲区紫外探测器的性能优化提供了新策略。

　　

宽禁带半导体材料Ga₂
O₃
因其4.8-5.3 eV的超宽禁带特性，在太阳能盲区紫外探测（200-280 nm）领域展现出巨大潜力。然而，本征Ga₂
O₃
薄膜的高电阻率严重制约了器件性能。过渡金属掺杂被证明是改善其导电性的有效手段，其中Ni离子（半径0.58 ?）与Ga离子（0.55 ?）的尺寸匹配性使其成为理想掺杂候选。厦门理工学院联合团队通过低功率密度（0.31 W/cm²
）射频磁控溅射技术，创新性地采用氧流量梯度调控策略，系统揭示了氧空位（V_O
）与NiO相形成对NiGaO薄膜性能的协同作用机制，相关成果发表于《Journal of Alloys and Compounds》。

研究采用光学发射光谱（OES）实时监测等离子体组分，结合X射线光电子能谱（XPS）分析元素化学态，通过霍尔效应测试和瞬态光电流响应评估电学性能。选用2英寸蓝宝石衬底，在0-2.5%氧流量比范围内制备系列样品，最终构建MSM型光电探测器验证应用效果。

实验结果

1. 等离子体特性分析：OES检测显示Ar
   （403.2/417.2 nm）、Ni
   （356.8/360.5 nm）等离子体强度随氧流量增加而降低，而O^*
   （777.2 nm）显著增强，证实氧环境对溅射过程的化学调控作用。

2. 元素补偿效应：XPS表明2%氧流量比时Ni含量稳定在1.3 at.%，而Ga含量因氧补偿作用下降，导致V_O
   浓度变化并诱发NiO相形成，这种微观结构演变直接关联电学性能优化。

3. 光电性能突破：最优样品（2%氧流量）载流子浓度提升至2.2×10¹⁷
   cm^-3
   ，电阻率降低一个数量级（12.9 Ω·cm）。对应MSM探测器实现1341.8超高开关比，响应速度（0.43/0.31 s）较传统器件提升近40倍。

该研究首次阐明氧流量比对NiGaO薄膜中V_O
-NiO协同机制的调控规律，为宽禁带半导体掺杂工程提供了新思路。所开发的高性能太阳能盲区探测器在环境监测、军事侦察等领域具有重要应用价值。后续研究可进一步探索NiGaO薄膜在PN结、薄膜晶体管等复杂器件架构中的集成潜力。