单脉冲激光诱导Ga?O?薄膜结晶与缺陷控制技术，用于制备高性能的太阳能盲光电探测器

《Surface and Coatings Technology》：Single-pulse laser-induced crystallization and defect engineer of Ga 2O 3 film for achieving high-performance solar-blind photodetector

　　

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  开发了一种单脉冲激光退火（SPLA）技术，用于诱导Ga₂O₃薄膜的结晶并调控其中氧空位缺陷。
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  建立了非晶态Ga₂O₃薄膜在激光退火过程中的热传输模型，发现薄膜深度方向上存在明显的温度梯度。
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  通过低热预算的SPLA处理，可以控制氧空位的分布，从而平衡半导体光电探测器（SBPD）的光电响应性和响应速度。
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  实现了高性能的SBPD，其暗电流为1.14×10^-12 A，光电转换系数（PDCR）为3.23×10⁶，电阻率（R）为46.51 A/W，电荷抽取效率（D^?）为1.13×10¹⁵ Jones，且在5 V时的上升/衰减时间分别为0.05 s和0.02 s。

引言

氧化镓（Ga₂O₃）是一种超宽禁带半导体，其禁带宽度为4.8–5.3 eV，具有高临界电场以及出色的化学和热稳定性[1]、[2]、[3]。这些优异的性能使其在多种应用中具有吸引力，包括高功率电子器件、辐射探测、气体传感器以及太阳盲区光电探测器（SBPD）[4]、[5]、[6]、[7]、[8]。由于大气的强吸收作用，太阳光中200至280 nm的波段很少能够到达地球表面，这使得SBPD具备优秀的抗干扰能力、高光敏度和高可靠性。Ga₂O₃的吸收区域正好位于太阳盲区内，因此其在光敏度方面具有很高的效率。因此，Ga₂O₃是最适合作为高性能SBPD材料的选择之一，适用于火焰监测、紫外成像、环境监测和空间通信等领域[9]、[10]、[11]、[12]。然而，高性能的Ga₂O₃ SBPD在光电响应性和响应速度之间存在根本性的权衡。Ga₂O₃中的陷阱态，尤其是氧空位，会延长光生载流子的寿命，从而减慢响应速度并增加暗电流；同时，这些陷阱态也可以增加光电导增益，从而提高光电响应性[13]、[14]、[15]、[16]、[17]、[18]、[19]、[20]、[21]、[22]。因此，同时实现高光电响应性、低暗电流和快速响应仍然是一个挑战。已经采用了几种方法来调控氧空位，包括退火[23]、[24]、掺杂[25]和表面钝化[26]等[27]。然而，减少体内的缺陷通常会提高响应速度，但会牺牲光电导增益。Ma等人提出了一种双层结构[25]：缺陷丰富的底层作为增益层，而缺陷较少的高质量顶层则抑制漏电流并促进载流子的快速提取。这种双层结构的Ga₂O₃光电探测器（PD）表现出236.10 A/W的光电响应性、3.49×10⁷的光暗电流比（PDCR）以及50 ms的衰减时间。Wu等人进一步利用氧空位分层效应创造了一个内置电场，实现了毫秒级的响应时间[28]。Li等人[23]通过 ???退火在ε-Ga₂O₃ PD中实现了氧空位工程，获得了1.06×10⁸的光暗电流比和9.13×10¹⁴ Jones的特定探测度。Gu等人[29]通过基底工程改善了光电探测器的性能。基于各向异性β-Ga₂O₃(?102)∥MgO(110)结构的光电探测器在暗电流仅为3.67×10^-13 A的情况下，实现了114.4 A/W的高光电响应性。然而，通常需要较高的生长温度或长时间的高温后处理才能获得高质量的上层，这会导致较高的热预算。此外，这些工艺还可能部分修复底层增益层中的缺陷，从而降低光电导增益。激光退火提供了一个潜在的解决方案，因为其局部的、短时间的高温加热可以有选择地使受照射表面的缺陷结晶并修复，同时将热效应限制在深层和基底上[30]。迄今为止，关于激光退火处理后的Ga₂O₃薄膜的研究还较少[30]、[31]，而利用激光退火来调控高性能Ga₂O₃ SBPD中氧空位的研究也较为稀少。

在本研究中，我们对非晶态Ga₂O₃薄膜进行了不同能量密度的单脉冲激光退火（SPLA）处理，并系统地研究了其热传输特性、结构和化学性质。随后，我们制备出了高性能的SBPD并进行了系统的性能验证。

章节片段

材料与方法

我们使用了248 nm pulsed laser deposition (PLD) 系统（SKY LLPLD 450，中国）来制备Ga₂O₃薄膜。在沉积前，Al₂O₃(0001)基底依次在去离子水中、异丙醇中、乙醇中以及再去离子水中超声处理15分钟。干燥后，基底迅速被放入蒸发至5×10^?6 Pa的沉积腔室中，然后通入高纯度O₂（99.999%），以建立0.05 Pa的工作压力。

结果与讨论

图1(a)展示了原始生长和激光退火后的Ga₂O₃薄膜的UV–可见光透射光谱；插图是用于确定光学带隙的Tauc图 [32]。制备样品的吸收截止波长并未完全位于200 nm处。一般来说，薄膜的测量透射率反映了波长依赖的吸收、界面反射以及薄膜-基底系统内的光学干涉等多种效应的综合影响。

结论

本研究证明了单脉冲激光退火（SPLA）是一种有效且低热预算的工艺，可用于Ga₂O₃薄膜的结晶和缺陷工程，并将其应用于SBPD。激光能量密度从300 mJ/cm²增加到600 mJ/cm²时，Ga₂O₃的带隙逐渐增宽。非晶态Ga₂O₃薄膜在400 mJ/cm²时开始结晶，且随着激光能量密度的增加，结晶程度进一步增强。

作者贡献声明

Yu-Li Su：撰写原始稿件、验证方法、进行研究、进行数据分析。Chen Wang：撰写与编辑、撰写原始稿件、提供监督、争取资金支持、进行概念构思。Jian-Gui Wang：提供监督和数据分析。Jie He：提供监督和数据分析。Qing-Yang Huang：提供监督和数据分析。Cong Yi：提供监督和数据分析。Shui-Yang Lien：撰写与编辑、提供监督、争取资金支持、进行数据分析。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文研究结果的利益冲突或个人关系。

致谢

本研究得到了以下机构的资助：福建省自然科学基金（项目编号：2023J011459、2024J011213、2020H0025）、厦门自然科学基金（项目编号：3502Z202373061）、国家自然科学基金（项目编号：61904155）、福建省教育厅科学技术项目（项目编号：JAT200484）、福建省科学技术指导项目（项目编号：2026H0048）。此外，本研究还得到了福建省科学技术协会的资助。

Yu-Li Su|Chen Wang|Jian-Gui Wang|Jie He|Qing-Yang Huang|Cong Yi|Shui-Yang Lien|Shanglin Yang