近日，蘭州大學(xué)物理學(xué)院青年研究員張澤民，聯(lián)合李穎弢教授，中科大趙曉龍教授、龍士兵教授，在寬禁帶半導(dǎo)體光電探測(cè)領(lǐng)域取得重要進(jìn)展，成功開(kāi)發(fā)了一種同時(shí)具備超快、超靈敏響應(yīng)的Ga2O3日盲光電探測(cè)器（SBPD）。該研究以“Ultra-Fast Gallium Oxide Solar-Blind Photodetector with Novel Thermal Pulse Treatment”為題發(fā)表在材料領(lǐng)域期刊《Advanced Materials》，駱莉莉博士為第一作者。
日盲光電探測(cè)器在火焰預(yù)警、安全通信、快速目標(biāo)成像和環(huán)境監(jiān)測(cè)等關(guān)鍵領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。Ga2O3 作為一種超寬禁帶材料，因其優(yōu)異的耐高溫、抗輻照特性，被認(rèn)為是下一代高性能SBPD的理想候選材料。然而，Ga2O3 光電探測(cè)器普遍面臨“RS困境”，即如何在保持高響應(yīng)度（Rλ）的同時(shí)提升響應(yīng)速度。
本研究創(chuàng)新性地提出了一種熱脈沖（TPT）方法，通過(guò)精準(zhǔn)調(diào)控Ga2O3薄膜中的溫度分布，成功形成了垂直分層的晶體結(jié)構(gòu)和氧空位（VO）分布，實(shí)現(xiàn)了對(duì)載流子生成與輸運(yùn)路徑的優(yōu)化。TCAD模擬進(jìn)一步驗(yàn)證了VO分層結(jié)構(gòu)在提高Rλ和響應(yīng)速度方面的關(guān)鍵作用。實(shí)驗(yàn)表明，經(jīng)過(guò)TPT處理的Ga2O3 SBPD在254 nm的紫外光照射下具有增強(qiáng)的性能，最高Rλ達(dá)到312.6 A/W，衰減時(shí)間縮短至40 μs，顯著優(yōu)于傳統(tǒng)處理方式。
圖1：在a）TPT之前和b）TPT之后薄膜分層結(jié)構(gòu)及載流子傳輸路徑。c）成品芯片制備以及大面積陣列的詳細(xì)示意圖。d）室外高壓電弧放電檢測(cè)。
基于該技術(shù)，研究團(tuán)隊(duì)成功制備了高性能Ga2O3 SBPD芯片，并在日盲成像、光軌跡跟蹤和日盲功率計(jì)等應(yīng)用中展現(xiàn)出卓越性能。其中，10×10像素的探測(cè)芯片實(shí)現(xiàn)了高對(duì)比度太陽(yáng)盲成像，可實(shí)時(shí)追蹤光斑運(yùn)動(dòng)路徑，展現(xiàn)出良好的環(huán)境適應(yīng)性。此外，基于該光探測(cè)器，研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種便攜式日盲UV探測(cè)設(shè)備，在高壓電弧放電檢測(cè)中表現(xiàn)出優(yōu)異的日盲識(shí)別能力，為未來(lái)高靈敏深紫外探測(cè)應(yīng)用提供了新的技術(shù)支撐。該研究成果有望推動(dòng)高性能紫外光探測(cè)技術(shù)的應(yīng)用，包括深空探測(cè)、高精度火焰監(jiān)測(cè)和先進(jìn)光通信系統(tǒng)，為新一代高效光電探測(cè)技術(shù)的發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
該項(xiàng)研究得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃，國(guó)家自然科學(xué)基金和甘肅省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等項(xiàng)目的資助。
文章鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202414130
（來(lái)源：蘭州大學(xué)）
