研究背景
β-Ga₂O₃ 作为新兴超宽禁带半导体材料，具有约 4.9 eV 的准直接带隙，其光响应峰值正好落在日盲紫外波段，是制备日盲紫外光电探测器的理想选择。此外，β-Ga₂O₃ 成本低廉，易于制备，又具有优良的化学和热稳定性，有望应用于高温和极端环境下的紫外监测。
但到目前为止，所报道的 β-Ga₂O₃ 基日盲紫外光电探测器虽然在个别指标上，如响应速度、响应度和暗电流等表现出色，但在整体性能上仍未能满足产业应用的高标准。特别是在暗电流控制和光电响应速度方面，现有技术仍有待提升。
因此，需要采取额外的制备工艺和后处理方法，来降低 Ga₂O₃ 基日盲紫外光电探测器的暗电流，提高其光电响应速度和响应度。从而开发出综合性能上能够满足或超越现有技术标准的新型 Ga₂O₃ 基日盲紫外光电探测器，推动其在高精度日盲紫外成像等领域的实际应用。
近日，厦门大学 程其进/张洪良 团队系统地研究了氧气环境中的后退火和等离子体处理对 Ga₂O₃ 薄膜晶体质量和光电性能的影响；之后，结合后退火与等离子体处理，创新地提出了一种在高温下（最佳温度为 700°C）进行氧气等离子体处理的方法，得到了综合性能优异的日盲紫外光电探测器件。该方法可以钝化 Ga₂O₃ 薄膜表面的缺陷以及提高薄膜内部的晶体质量，有效降低 Ga₂O₃ 薄膜的背景载流子浓度，提高日盲紫外光电探测器的性能。该工作构建的金属-半导体-金属结构的光电探测器，在 20 V 偏压下，获得了 44 fA 的极低暗电流、1.45 × 1016 Jones 的极高探测率、4.7 × 107 的光暗电流比、264.1 A/W 的响应度、58 ms 的下降时间。结合光致发光谱图和 X 射线光电子能谱分析，该团队详细研究了高温下（700°C）氧气等离子体处理提高光电探测器性能的原因：高温氧气等离子体处理后，氧空位相关的缺陷减少，费米能级向价带顶移动，提高了金属-半导体接触的肖特基势垒，减少了陷阱辅助隧穿和直接隧穿发生的概率，有效降低了暗电流，提升了光电探测器的性能（Figure 1）。
Figure 1. (a) 基于 Ga2O3 原始样品和 700°C 氧气等离子体处理样品的光电探测器在暗态和 254 nm 光照下的电流-电压特性曲线；(b) 基于 Ga2O3 原始样品和 700°C 氧气等离子体处理样品的光致发光谱图；(c) 基于 Ga2O3 原始样品和 700°C 氧气等离子体处理样品的价带谱；(d) 基于 Ga2O3 原始样品的金属-半导体-金属结构的光电探测器在暗态下的能带图；(e) 基于 700°C 氧气等离子体处理样品的金属-半导体-金属结构的光电探测器在暗态下的能带图（图中 EC、EV、EF 分别代表导带、价带和费米能级）。
在实现高性能 Ga2O3 光电探测器的基础上，该团队构建了 10×10 的光电探测器阵列，并研究了单个器件的性能与整个阵列的电流均匀性，获得了性能优异、均匀性良好的光电探测器阵列，并且在日盲紫外成像方面做了一些研究，实现了基础英文字母的显示成像（如图 2 所示）。
Figure 2. (a) 10 × 10 Ga2O3 基光电探测器阵列的光学显微镜图像；(b) 光电探测器阵列中九个像素的放大图像；(c) 所有像素的二维光电流图（偏压 20 V 下测量）；(d) 暗态和 254 nm 紫外光照射下光电探测器阵列中所有像素的统计光电流和暗电流（偏压 20 V 下测量）；(e) 成像系统的示意图。 该研究为实现高精度日盲紫外成像奠定了坚实基础。该成果以 “Ultralow dark current and high specific detectivity of Ga2O3-based solar-blind photodetector arrays realized via post-annealing in oxygen plasma”（《通过氧气等离子体后退火实现具有超低暗电流和高比探测率的 Ga2O3 基日盲光电探测器阵列》）为题，发表在英国皇家化学会期刊 Journal of Materials Chemistry C 上，并入选为 hot article。
Ultralow dark current and high specific detectivity of Ga2O3-based solar-blind photodetector arrays realized via post-annealing in oxygen plasma
Lingjie Bao, Zheng Liang, Siliang Kuang, Bohan Xiao, Kelvin H. L. Zhang, Xiangyu Xu* （徐翔宇，厦门大学）and Qijin Cheng*（程其进，厦门大学）
J. Mater. Chem. C, 2024, 12, 14876-14886
https://doi.org/10.1039/D4TC02859G
本文第一作者，厦门大学硕士研究生，2024 年毕业于厦门大学。硕士期间主要研究方向为宽禁带半导体。
本文通讯作者，厦门大学博士后。2023 年博士毕业于厦门大学。主要研究方为宽禁带半导体材料和器件。
本文通讯作者，厦门大学副教授。2008 年博士毕业于南洋理工大学，主持完成国家和省部级科研项目多项，发表研究论文 100 余篇。研究领域主要包括宽禁带半导体、二维材料、光电探测器、太阳能电池。
（来源：RSC Materials Science ，作者程其进/张洪良等）
