近日，中國科大微電子學(xué)院龍世兵教授課題組在氧化鎵日盲探測器研究中取得新的進展。針對日盲紫外探測器在諸多應(yīng)用場景需要面臨苛刻環(huán)境的問題，該課題組基于低成本非晶氧化鎵材料，通過缺陷和摻雜工程實現(xiàn)了極端環(huán)境下依然表現(xiàn)超高靈敏度的日盲探測器。該方法為高性能、耐極端環(huán)境日盲紫外探測器的研制及應(yīng)用提供了一種可行的參考。相關(guān)成果以“High-Performance Harsh-Environment-Resistant GaOXSolar-Blind Photodetectors via Defect and Doping Engineering”為題在線發(fā)表在《先進材料》（AdvancedMaterials）雜志上。
日盲紫外光電探測器作為光譜探測不可或缺的部分，在導(dǎo)彈跟蹤、火災(zāi)預(yù)警和深空探測等諸多關(guān)鍵應(yīng)用場景中發(fā)揮著重要作用。在這些獨特的應(yīng)用場景中，日盲紫外光電探測器將不可避免地面對極端惡劣的環(huán)境（如高溫、高電場、高輻射）。然而，傳統(tǒng)的硅基日盲紫外探測器對紫外光靈敏度低、熱穩(wěn)定性差，難以滿足苛刻環(huán)境下高靈敏探測的需求。因此，亟需開發(fā)一種具有較高環(huán)境耐受性的高性能日盲紫外探測器。氧化鎵作為新興的超寬禁帶半導(dǎo)體材料，具有熱穩(wěn)定性好、禁帶寬度大、紫外吸收系數(shù)大、材料易加工等優(yōu)點，是日盲紫外探測較為理想的候選材料。目前，基于單晶氧化鎵材料的日盲紫外探測器面臨著成本高、規(guī)模小、隔離困難等問題。相比之下，非晶氧化鎵具有易制備、成本低、易集成等特點，使其對不同應(yīng)用場景有著豐富的兼容性及設(shè)計自由度。然而，基于非晶氧化鎵材料開發(fā)高環(huán)境耐受性的高性能日盲紫外探測器還需解決其材料穩(wěn)定性差、缺陷密度高、漏電流大、持續(xù)光電導(dǎo)效應(yīng)明顯等問題。
圖1. 氧化鎵材料設(shè)計及日盲紫外探測器性能。(a) 缺陷及摻雜工程對非晶氧化鎵結(jié)構(gòu)的影響，包括重結(jié)晶、納米孔的形成及氮的摻雜；(b) 不同退火溫度下器件的探測性能（響應(yīng)度及探測率）；(c) 所設(shè)計N-900器件在高溫下的I-V響應(yīng)曲線；(d) N-900器件與典型的高溫紫外探測器性能的比較。
針對非晶氧化鎵材料的上述問題，該課題組通過缺陷及摻雜工程成功設(shè)計出高性能且耐極端環(huán)境的氧化鎵日盲紫外探測器。該缺陷和摻雜工程，包括富鎵的氧化鎵非晶材料設(shè)計及后退火工藝以實現(xiàn)材料的重結(jié)晶及摻雜補償。富鎵材料是器件具備高響應(yīng)電流及引入摻雜補償?shù)年P(guān)鍵；而氮氣退火則促進了非晶材料的局部晶化、納米孔的形成、缺陷濃度降低及摻雜補償?shù)戎T多光電探測有利因素的形成（圖1a）。上述因子中，富鎵材料和納米孔形成保證了器件具有較高的日盲響應(yīng)電流，而材料晶化、缺陷降低和摻雜補償確保了器件具備較低的暗電流，從而使器件輸出較為理想的光電流“頂天”暗電流“立地”表現(xiàn)。經(jīng)過氮氣高溫增韌的富鎵GaOX薄膜，材料穩(wěn)定性增強，這不僅有助于光電性能的提升，而且有助于提升材料的極端環(huán)境耐受性。通過上述缺陷和摻雜工程設(shè)計，實現(xiàn)了高性能且耐極端環(huán)境的日盲紫外探測器。與常規(guī)非晶富鎵氧化鎵器件相比，工程化處理的器件暗電流降低107倍（46 fA）、探測率提升102倍（8×1015Jones）（圖1b）、響應(yīng)速度提升102倍（80 ms）。同時，得益于子帶隙吸收的抑制，探測抑制比（R254 nm/R365 nm）提升了105倍，達到創(chuàng)紀(jì)錄的1.8×107，顯示出器件優(yōu)異的光譜選擇性。此外，在高溫、高壓、高輻射等極端條件下，器件依然保持較高的探測性能（圖1c，d）。特別地，基于該缺陷及摻雜工程所設(shè)計的氧化鎵探測器陣列，實現(xiàn)了高溫下的清晰日盲成像驗證（圖2）。上述較高的綜合性能使所設(shè)計的氧化鎵探測器在紫外探測領(lǐng)域脫穎而出。因此，缺陷和摻雜工程為低成本、超靈敏、耐極端環(huán)境的日盲探測器的實現(xiàn)提供了可行的參考策略，也為其它光電器件的工程設(shè)計提供潛在的啟示。
圖2. 日盲紫外成像演示。(a) 成像系統(tǒng)示意圖；(b) 器件陣列光學(xué)照片；(c) 不同溫度下陣列單元的光/暗電流統(tǒng)計；(d) 不同高溫下，電流的靜態(tài)分布及對應(yīng)的成像效果。
中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)微電子學(xué)院龍世兵教授和趙曉龍博士后為該論文共同通訊作者，博士生侯小虎為論文第一作者。該研究得到了國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)研究計劃、中國科學(xué)院前沿科學(xué)重點研究計劃、廣東省重點領(lǐng)域研究發(fā)展計劃及中國科學(xué)院微電子研究所微電子器件與集成技術(shù)重點實驗室開放課題的資助。也得到了中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)微納研究與制造中心、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)信息科學(xué)實驗中心、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)行星探索與前瞻性技術(shù)前沿科學(xué)中心、中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所納米器件與應(yīng)用重點實驗室的支持。
論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202106923?campaign=wolacceptedarticle
