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该研究的主要作者包括Haofei Huang、Hengzhi Xing、Wei Zhang、Zhichao Qian、Lulu Wang、Lujun Wang、Ke Tang、Jian Huang和Linjun Wang。他们分别来自上海大学材料科学与工程学院（School of Materials Science and Engineering, Shanghai University）、浙江先进材料研究院（Zhejiang Institute of Advanced Materials, SHU）以及上海智能传感芯片技术协同创新中心（Shanghai Collaborative Innovation Center of Intelligent Sensing Chip Technology）。该研究于2025年发表在《Applied Surface Science》期刊上，文章编号为161179。
该研究的主要科学领域是光电子学，特别是基于非晶氧化镓（amorphous gallium oxide, a-Ga₂O₃）薄膜光电晶体管（phototransistors）的性能优化。氧化镓（Ga₂O₃）因其宽带隙、高击穿电压和优异的热稳定性，在光电子器件中具有广泛的应用前景。然而，a-Ga₂O₃材料中的固有缺陷限制了其光电晶体管的性能，如载流子传输效率低和暗电流增加。因此，本研究旨在通过构建a-Ga₂O₃与镁掺杂氧化锌（magnesium-doped zinc oxide, Mg:ZnO）的异质界面（hetero-interface），提升光电晶体管的性能。
研究流程主要包括以下几个步骤：
器件制备
光电晶体管的图案化通过紫外光刻（ultraviolet photolithography）和剥离技术（lift-off techniques）实现。首先，Si/SiO₂晶片依次在丙酮、甲醇和去离子水中超声清洗，并用氮气吹干。然后，通过磁控溅射（magnetron sputtering）在室温下沉积Mg:ZnO和a-Ga₂O₃薄膜。沉积前，腔体被抽真空至1×10⁻⁶ Torr的基础压力。Mg:ZnO和a-Ga₂O₃的溅射功率分别为150 W和250 W，溅射压力分别为6 mTorr和3 mTorr。薄膜厚度通过晶体振荡器膜厚计控制，Mg:ZnO和a-Ga₂O₃的厚度分别为30 nm和50 nm。最后，去除光刻胶和上覆薄膜，仅保留通道区域的薄膜。源极和漏极的制备过程类似，电极材料为硼和镓共掺杂的ZnO薄膜。
薄膜表征
通过X射线反射率（X-ray reflectivity, XRR）和X射线衍射（X-ray diffraction, XRD）对薄膜进行表征。XRR测试使用平行光束，扫描速度为0.002°/秒；XRD测试使用高斯光束，扫描速度为0.02°/秒。此外，X射线光电子能谱（X-ray photoelectron spectroscopy, XPS）用于分析元素组成和价态，紫外-可见光谱仪（UV-Vis spectrometer）用于获取薄膜的透射和吸收光谱，三维光学轮廓仪（3D optical profiler）用于表征光电晶体管的三维形貌。
能带结构分析
基于Kraut等人提出的方法，通过XPS测量Mg:ZnO和a-Ga₂O₃界面的能带结构。利用XPS数据计算价带偏移（valence band offset, ΔEv）和导带偏移（conduction band offset, ΔEc），并绘制能带对齐示意图。
电学与光电性能测试
使用半导体参数分析仪（semiconductor parameter analyzer）和双波长紫外灯（dual-wavelength ultraviolet lamp）测试光电晶体管的电学和光电性能，包括输出特性、时间响应特性和转移特性。
薄膜表征结果
XRD测试显示，室温下沉积的a-Ga₂O₃为非晶态，仅观察到ZnO（200）晶面的衍射峰。XRR测试表明，Mg:ZnO和a-Ga₂O₃的薄膜密度分别为5.45 g/cm³和5.22 g/cm³，厚度分别为41.4 nm和61.3 nm，与理论值高度吻合。XPS测试确定了Mg:ZnO和a-Ga₂O₃的价带最大值（valence band maxima, VBM）和核心能级。
能带结构分析结果
计算得出a-Ga₂O₃/Mg:ZnO界面的价带偏移为1.53 eV，导带偏移为0.18 eV。能带对齐示意图显示，界面处存在显著的能带梯度，有助于光生载流子的分离和收集。
电学与光电性能测试结果
优化后的a-Ga₂O₃/Mg:ZnO异质界面光电晶体管表现出优异的光电性能，光响应度（photoresponsivity）高达1.27 A/W，并且在极薄的光敏层（约60 nm）下实现了X射线探测能力。时间响应测试显示，器件在254 nm紫外光照射下具有良好的响应特性。
本研究通过构建a-Ga₂O₃/Mg:ZnO异质界面，显著提升了a-Ga₂O₃薄膜光电晶体管的性能。优化的异质界面有效改善了光生载流子的分离、传输和收集效率，使器件在紫外光探测和X射线探测方面表现出优异的性能。该研究为开发高灵敏度、高选择性的紫外光探测技术提供了新的思路，展示了异质界面工程在克服a-Ga₂O₃固有缺陷方面的有效性。
重要发现
通过异质界面工程显著提升了a-Ga₂O₃光电晶体管的性能，光响应度高达1.27 A/W，并实现了极薄光敏层下的X射线探测。
方法创新
研究采用了XPS能带结构分析方法，详细表征了a-Ga₂O₃/Mg:ZnO界面的能带对齐，为理解界面载流子动力学提供了重要依据。
应用前景
该研究为高灵敏度紫外光探测技术在遥感、环境监测和紫外通信系统中的应用奠定了基础，展示了Ga₂O₃基光电子器件的广阔应用前景。
研究还探讨了氧空位（oxygen vacancies）对a-Ga₂O₃薄膜光电性能的影响，发现较高浓度的氧空位有助于提高器件的光响应度。这一发现为进一步优化a-Ga₂O₃基光电探测器提供了新的研究方向。