• 通讯作者简介

程其进，厦门大学副教授，厦门大学理学学士学位，新加坡南洋理工大学理学博士学位，曾经在新加坡、澳大利亚等国家从事多年的科研工作，长期从事宽禁带半导体材料、二维材料、光电探测器、太阳能电池等科研工作。近几年，主持了国家自然科学基金面上项目、福建省科技厅引导性项目、福建省自然科学基金面上项目、广东省自然科学基金面上项目、深圳市基础研究面上项目等多个科研项目。迄今已在Advanced Optical Materials、Progress in Photovoltaics、ACS Applied Materials & Interfaces, Journal of Materials Chemistry A、Acta Materialia 等期刊发表论文100余篇。2013年入选福建省高等学校新世纪优秀人才支持计划；2020年入选厦门市高层次人才 (C类)；2023年入选福建省高层次人才 (C类)。

• 文章导读

氧化镓 (Ga₂O₃) 作为一种超宽带隙半导体材料，因其卓越的紫外吸收能力和高稳定性，在深紫外日盲光电探测器领域备受瞩目。然而，传统的MOCVD或MBE等生长技术面临成本高、速率慢等限制，而常规热氧化法又往往存在残留GaN相的问题，严重影响器件的暗电流、响应速度、日盲/可见光抑制比等。为解决这一挑战，厦门大学程其进副教授团队在 Nanomaterials 期刊发表最新研究，提出采用等离子体增强热氧化 (PETO) 技术，通过精确调控氧气与氩气 (O₂/Ar) 的混合比例，在GaN/蓝宝石衬底上高效制备了高质量的Ga2O3薄膜，显著提升了光电探测器的综合性能。

• 研究过程与结果

在材料制备与表征方面，团队利用射频等离子体增强水平管式炉 (见图1 (a))，在保持220 Pa工作气压和300 W射频功率的条件下，系统研究了不同O2/Ar流量比 (2:1、4:1、8:1) 对薄膜生长的影响。结合XRD、SEM以及XPS等一系列精密的材料表征技术，研究人员对薄膜的晶体结构、表面形貌及化学态进行了深度剖析。结果表明，当O₂/Ar比例优化为4:1时，合成的Ga2O3薄膜展现出最佳的材料特性：不仅拥有最大的晶粒尺寸 (31.4 nm) 和最快的生长速率 (427.5 nm/h) (见图1 (b))，且其氧空位浓度降至最低 (16.61%) (见图1 (c))。

图1. (a) 射频等离子体增强水平管式炉沉积系统在氧气和氩气混合辉光放电下的实物图和结构示意图；O2/Ar比例为4:1条件下合成的Ga2O3薄膜的截面SEM图像 (b) 和O 1s核芯能谱 (c)。

团队进一步从微观层面提出了PETO法在GaN衬底上成核与生长的物理机制 (见图2)。等离子体中的高能态氧自由基会优先吸附在GaN表面的位错和缺陷等高能反应位点上；随着Ga-N键断裂并形成Ga-O键，Ga₂O₃遵循Volmer-Weber岛状模式成核，并最终融合为连续薄膜。在此过程中，适量氩气的物理轰击有效促进了氧分子的解离，从而大幅提升了氧化反应速率。

图2. 等离子体增强热氧化法在GaN/蓝宝石衬底上形核与生长Ga2O3薄膜的机制示意图：(a) Ga2O3的岛状生长；(b) Ga₂O₃与GaN之间的成键；(c) 岛状结构合并形成连续薄膜。

随后，团队基于最优条件下生长的薄膜构建了金属-半导体-金属 (MSM) 结构的Ga₂O₃日盲光电探测器 (器件结构见图3 (a))。在10 V偏压和254 nm紫外光照射下，器件的比探测率高达2.74×10¹³ Jones，光暗电流比 (PDCR) 为114 (见图3 (b))，日盲/可见光抑制比达到116 (见图3 (c))，展现出优异的光电响应特性。

图3. (a) GaN/Ga₂O₃光电探测器结构示意图；(b) 在暗态和光照条件下，GaN/Ga₂O₃光电探测器电流-电压特性曲线；(c) 10 V偏压下GaN/Ga₂O₃光电探测器光谱特性曲线。

通过深度剖析异质结界面的能带结构与载流子传输机制 (见图4)，团队揭示了器件性能跃升的根本原因。Ga₂O₃与底层的GaN形成了典型的II型异质结，这种特殊的能带排列实现了有效的界面势垒调控。导带偏移形成的低势垒促使光生电子高效地从Ga₂O₃注入到GaN层中，而GaN层凭借其固有高电子迁移率充当了低阻抗传输通道，极大地促进了载流子的分离与收集。此外，较低的氧空位浓度有效减弱了缺陷态对光生载流子的捕获效应，进一步降低了器件的暗电流。

图4. (a) Ga₂O₃与GaN形成异质结的能带排列图；(b) 电子在异质结中传输路径的示意图。

• 研究总结

本研究创新性地采用等离子体增强热氧化法在GaN/蓝宝石衬底上制备了Ga₂O₃薄膜，并系统论证了氧化气氛 (O2/Ar比例) 对薄膜微观结构与光电性能的决定性作用。研究发现，4:1的最优混合气比例能够有效抑制氧空位缺陷的生成并最大化生长速率。通过深入探讨Ga₂O₃/GaN异质结的界面势垒演变与载流子动力学，阐明了结构设计对光电探测器性能优化的内在物理机制。该工作不仅为低成本、高质量Ga₂O₃薄膜的生长提供了重要的工艺指导，也为开发下一代高性能GaN基异质结深紫外光电器件奠定了坚实的理论基础。

阅读英文原文：https://www.mdpi.com/2079-4991/15/18/1397

• 期刊介绍

主编：Eugenia Valsami-Jones, University of Birmingham, UK

期刊主题涵盖纳米材料 (纳米粒子、薄膜、涂层、有机/无机纳米复合材料、量子点、石墨烯、碳纳米管等)、纳米技术 (合成、表征、模拟等) 以及纳米材料在各个领域的应用 (生物医药、能源、环境、电子信息等) 等。

2025 Impact Factor：4.8

2025 CiteScore：10.3

Time to First Decision：12.5 Days

Acceptance to Publication：2.7 Days

期刊主页：https://www.mdpi.com/journal/nanomaterials

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