近日，中國(guó)科大微電子學(xué)院龍世兵教授課題組在氧化鎵日盲探測(cè)器研究中取得新的進(jìn)展。針對(duì)日盲紫外探測(cè)器在諸多應(yīng)用場(chǎng)景需要面臨苛刻環(huán)境的問(wèn)題，該課題組基于低成本非晶氧化鎵材料，通過(guò)缺陷和摻雜工程實(shí)現(xiàn)了極端環(huán)境下依然表現(xiàn)超高靈敏度的日盲探測(cè)器。該方法為高性能、耐極端環(huán)境日盲紫外探測(cè)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(jìn)材料》（AdvancedMaterials）雜志上。
日盲紫外光電探測(cè)器作為光譜探測(cè)不可或缺的部分，在導(dǎo)彈跟蹤、火災(zāi)預(yù)警和深空探測(cè)等諸多關(guān)鍵應(yīng)用場(chǎng)景中發(fā)揮著重要作用。在這些獨(dú)特的應(yīng)用場(chǎng)景中，日盲紫外光電探測(cè)器將不可避免地面對(duì)極端惡劣的環(huán)境（如高溫、高電場(chǎng)、高輻射）。然而，傳統(tǒng)的硅基日盲紫外探測(cè)器對(duì)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(cè)的需求。因此，亟需開(kāi)發(fā)一種具有較高環(huán)境耐受性的高性能日盲紫外探測(cè)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(diǎn)，是日盲紫外探測(cè)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(cè)器面臨著成本高、規(guī)模小、隔離困難等問(wèn)題。相比之下，非晶氧化鎵具有易制備、成本低、易集成等特點(diǎn)，使其對(duì)不同應(yīng)用場(chǎng)景有著豐富的兼容性及設(shè)計(jì)自由度。然而，基于非晶氧化鎵材料開(kāi)發(fā)高環(huán)境耐受性的高性能日盲紫外探測(cè)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(wèn)題。
圖1. 氧化鎵材料設(shè)計(jì)及日盲紫外探測(cè)器性能。(a) 缺陷及摻雜工程對(duì)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(cè)性能（響應(yīng)度及探測(cè)率）；(c) 所設(shè)計(jì)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(cè)器性能的比較。
針對(duì)非晶氧化鎵材料的上述問(wèn)題，該課題組通過(guò)缺陷及摻雜工程成功設(shè)計(jì)出高性能且耐極端環(huán)境的氧化鎵日盲紫外探測(cè)器。該缺陷和摻雜工程，包括富鎵的氧化鎵非晶材料設(shè)計(jì)及后退火工藝以實(shí)現(xiàn)材料的重結(jié)晶及摻雜補(bǔ)償。富鎵材料是器件具備高響應(yīng)電流及引入摻雜補(bǔ)償?shù)年P(guān)鍵；而氮?dú)馔嘶饎t促進(jìn)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(bǔ)償?shù)戎T多光電探測(cè)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(bǔ)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(guò)氮?dú)飧邷卦鲰g的富鎵GaOX薄膜，材料穩(wěn)定性增強(qiáng)，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(guò)上述缺陷和摻雜工程設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了高性能且耐極端環(huán)境的日盲紫外探測(cè)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(cè)率提升102倍（8×1015Jones）（圖1b）、響應(yīng)速度提升102倍（80 ms）。同時(shí)，得益于子帶隙吸收的抑制，探測(cè)抑制比（R254 nm/R365 nm）提升了105倍，達(dá)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(cè)性能（圖1c，d）。特別地，基于該缺陷及摻雜工程所設(shè)計(jì)的氧化鎵探測(cè)器陣列，實(shí)現(xiàn)了高溫下的清晰日盲成像驗(yàn)證（圖2）。上述較高的綜合性能使所設(shè)計(jì)的氧化鎵探測(cè)器在紫外探測(cè)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(cè)器的實(shí)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(jì)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(jì)；(d) 不同高溫下，電流的靜態(tài)分布及對(duì)應(yīng)的成像效果。
中國(guó)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(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)研究計(jì)劃、中國(guó)科學(xué)院前沿科學(xué)重點(diǎn)研究計(jì)劃、廣東省重點(diǎn)領(lǐng)域研究發(fā)展計(jì)劃及中國(guó)科學(xué)院微電子研究所微電子器件與集成技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放課題的資助。也得到了中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)微納研究與制造中心、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)信息科學(xué)實(shí)驗(yàn)中心、中國(guó)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(guó)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的支持。
論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202106923?campaign=wolacceptedarticle
