[AFM] 如何同时实现高响应度与毫秒级响应速度？这项 Ga₂O₃ 研究给出了新答案

一、研究成果与亮点

在高性能光电探测器领域，特别是基于宽禁带半导体（如氧化镓，Ga2O3）的日盲紫外（SBUV）探测中，响应度（Responsivity, $R$）与响应速度（Response Speed）之间的权衡（Trade-off）长期被学界视为难以兼顾的经典课题。

该研究由福建农林大学与重庆大学联合团队发表于国际期刊Advanced Functional Materials (AFM)，核心亮点在于:

1.提出氧空位分层（Oxygen-Vacancy Stratification）策略：突破了传统单层薄膜结构中载流子寿命与传输效率难以兼顾的矛盾。

2.优异的光电性能指标：在零偏压（Self-powered）模式下，实现了 93.53 mA/W 的响应度，以及 8.7/2.8 ms 的上升/下降时间，为目前已报道的 Ga2O3 基自驱动水下探测器中具有代表性的综合性能。

3.多功能系统集成：不仅成功演示了水下 ASCII 码光通信，还结合支持向量机（SVM）算法，实现对多种重金属离子（Pb2+,Cu2+,Fe2+）的高准确度识别。

二、研究团队

该项研究由福建农林大学（福建省农业信息感知技术重点实验室、农业芯片与智能感知工程研究中心）与重庆大学（光电技术及系统教育部重点实验室）共同完成。

通讯作者为福建农林大学的 王维（Wei Wang）教授、胡启昌（Qichang Hu）教授，以及重庆大学的 刘玉菲（Yufei Liu）教授。

该团队在宽禁带半导体材料、智能传感芯片及水下光电应用领域具有深厚的学术积累。

三、研究背景：水下探测的「RS困境」

随着海洋资源开发与水下监测需求增长，高性能水下光电探测器成为核心需求。由于太阳光在水下经大气臭氧层吸收，200–280 nm 的日盲紫外波段具有较低的背景噪声，是较为理想的通信与传感窗口。

然而，基于 Ga2O3的探测器面临两大挑战:

RS 困境（Responsivity-Speed Dilemma）：在非晶氧化镓中，氧空位（VO）能有效俘获载流子以延长寿命，从而获得高增益（High Gain）与高响应度，但这也会导致载流子复合缓慢，造成显著的持续光电导（PPC）效应，大幅降低响应速度。

水下工作环境：传统探测器需要复杂的防水封装或贵金属电极，且在电解质环境（如海水）中的界面电荷转移机制较为复杂，难以优化。

四、解决方案：氧空位分层调控策略

为破解上述难题，研究团队提出了一种纵向集成（Vertical Integration）思路：不再尝试在单层膜中寻找氧空位浓度的折中点，而是构建了一个 S0/1 分层结构：

底部富氧空位层（Rich-VOV_OVO, S0S_0S0）：在无氧环境下溅射形成，提供高载流子浓度与光电增益，确保响应度。

顶部贫氧空位层（Poor-VOV_OVO, S1S_1S1）：与电解质直接接触，实现较快的电荷分离与复合动力学，缓解 PPC 效应。

内建电场（Built-in Electric Field）：由于两层之间费米能级（EF）差异，在界面处形成能带弯曲，建立垂直方向的内建电场，促进光生载流子的分离与定向传输。

五、实验过程与材料制备

该研究采用射频磁控溅射（RF Magnetron Sputtering）技术，在室温下于 FTO 导电玻璃上沉积非晶Ga2O3 薄膜。
关键步骤如下:

浓度调控：通过调节溅射过程中的氧气流量（0、1、2、5 sccm），调控薄膜内的氧空位比例。

分层构建（S0/1）：先在纯氩气下沉积 S0 层，随后暂停工艺并抽至高真空，再引入 1 sccm 氧气流沉积 S1 层，形成垂直梯度分布。

结构验证：利用XPS 深度剖面分析（Depth Profiling）证实氧空位浓度沿生长方向呈由高到低的阶梯状分布。

材料表征（图 1）：通过 SEM确认薄膜均匀致密；XRD与拉曼光谱证实其非晶态（Amorphous）特征；PL 光谱与 EPR 分析则从定性与定量角度共同表明氧流量对 VO 的抑制作用。

六、研究成果：器件性能表征与深度分析

该部分是研究的核心，团队进行了较为详尽的光电特性测试（主要基于 Zahner Zennium pro 电化学工作站与 OPHIR NOVA II 光功率计）。

1. 绝对光强校正与 I-V 曲线测量
利用 255 nmLED 作为光源，并通过 OPHIR NOVA II 光功率计进行绝对光强校正，确保响应度计算的基准可靠性。

I-V 曲线（图 S12）：在不同光照强度（48 至 499 μW/cm2）下测量了 $I-V$ 特性。器件在零偏压下具有明显的光电流，体现其自驱动性能。

2. 暗态 I-V 测量与噪声分析
暗态 I-V（图 2a）：随氧流量增加，暗电流（Dark  Current）明显下降（从 S0 到 S5）。这是因为氧空位减少降低了背景载流子浓度。

S0/1 的特点：分层结构 S0/1 在维持较高光电流的同时，展现出较低的暗电流，归因于界面缺陷态对暗态下载流子迁移的抑制作用。

3. 光谱响应与外部量子效率（EQE）
光谱响应测量（图S16）：测试了 255 nm、340 nm、475 nm 三个波段的响应。器件仅在 255 nm 有显著响应，体现出良好的日盲选择性。

EQE 测量（图 3i）：S0/1 的 EQE 相比 S0提升超过200%，达到48.51%，体现出较高的高能光子转化效率。

4. 响应度（R）与探测率（D*）光谱
响应度（R）：在零偏压下，S0/1的 R达到 93.53 mA/W，较 $S_0$ 提升约 2.85 倍。

探测率（D*）：通过公式

 计算得到，S0/1 的 D* 达到 1.038 x1013Jones，对微弱信号具有较强的检测能力。

5. 定电流/电压随时间变化测试（I-t）
瞬态响应（图 2d、2e、3f）：S0/1 的上升时间（Rise time）缩短至 8.7 ms，下降时间（Decay time）保持在 2.8 ms。相比之下，富氧空位的S0 上升时间虽快但下降时间较长（PPC 效应明显）。

循环稳定性（图S17）：进行了100 次 I-t 循环测试，光电流仅有微小衰减，反映器件在水下的长期工作稳定性。

6. 信噪比（SNR/PDCR）
PDCR（图 3g）：S0/1 的光暗电流比（PDCR）较 S0 提升一个数量级以上，体现出较强的噪声抑制能力。

7. 系统级应用表征（图 5）
水下光通信：成功接收255 nm LED 发出的 ASCII 码，传输 "CQU" 字符，单个字母传输仅需 0.16 秒。

离子识别表征：记录在含不同重金属离子的电解液中的 I-t 响应特征（图 5b），并建立数据集。

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七、总结

该研究通过「氧空位分层」工程，在 $\\text{Ga}_2\\text{O}_3$ 基探测器上实现了较高响应度与较快响应速度的兼顾。

其在水下通信与重金属离子智能识别方面的应用，为多功能海洋感知系统提供了新的技术路径。

对于半导体研究者而言，这种通过物理结构设计（内建电场）而非单纯依赖材料组分调节的思路，具有较强的启发意义。