高靈敏、自供電氧化鎵日盲紫外光電探測器研究取得進(jìn)展

由于大氣層的強(qiáng)烈吸收，地球表面幾乎不存在波長介于200-280nm之間的紫外光，該波段的光稱為日盲紫外，針對該波段的檢測被稱為日盲紫外探測。由于不受太陽光背景的影響，日盲紫外探測具有靈敏度極高、抗干擾能量強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。日盲紫外光電探測器在導(dǎo)彈預(yù)警、電網(wǎng)電暈檢測、火焰探測、臭氧層太陽光紫外線監(jiān)視等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用。

圖1.日盲深紫外光電探測器應(yīng)用及超寬禁帶氧化鎵材料

氧化鎵（Ga2O3）是一種新興寬禁帶半導(dǎo)體（禁帶寬度為4.9 eV），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)，是日盲紫外探測理想的半導(dǎo)體材料?；贕a2O3的日盲紫外光電探測器已有很多的報(bào)道。其中，pn結(jié)型光電探測器因其快速響應(yīng)和自供電特性。pn結(jié)型光電探測器的優(yōu)點(diǎn)與其內(nèi)部的耗盡區(qū)密切相關(guān)。然而，目前報(bào)道的大多數(shù)pn結(jié)型光電探測器由于p區(qū)或n區(qū)的重?fù)诫s導(dǎo)致耗盡區(qū)寬度較窄，這無疑限制了光電探測器的性能。

為了解決上述問題，廈門大學(xué)張洪良、程其進(jìn)課題組基于Ga2O3研發(fā)了一種具有全耗盡有源區(qū)的pin（p-GaN/i-Ga2O3/n-Ga2O3）異質(zhì)結(jié)自供電日盲紫外光電探測器。該pin異質(zhì)結(jié)光電探測器具有優(yōu)越的日盲探測能力，在無外部電源供電的情況下器件展示出較高的響應(yīng)度（72 mA/W）、較高的探測率（3.22 × 1012Jones）、高的光暗電流比（1.88 × 104）。器件具有較快的響應(yīng)速度（上升時(shí)間為7 ms，下降時(shí)間為19 ms）以及良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性（在248 nm的脈沖激光激發(fā)下下降時(shí)間為185 μs）；并且器件具有良好的穩(wěn)定性，經(jīng)過長時(shí)間的開關(guān)或者放置之后器件的響應(yīng)特性幾乎沒有變化。

圖2.全耗盡有源區(qū)的pin（p-GaN/i-Ga2O3/n-Ga2O3）異質(zhì)結(jié)自供電日盲紫外光電探測器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和能帶結(jié)構(gòu)；器件實(shí)現(xiàn)了零偏壓下的自驅(qū)動(dòng)和較快的響應(yīng)速度。

另一方面，作者也通過高分辨X射線光電子能譜對Ga2O3/GaN異質(zhì)結(jié)界面的電子結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)的研究，如帶階、內(nèi)建電勢等，并從電子結(jié)構(gòu)和能帶的角度分析了光電探測器中優(yōu)越器件性能的來源。研究發(fā)現(xiàn)，通過對耗盡區(qū)寬度的嚴(yán)格調(diào)控，使得Ga2O3/GaN pin異質(zhì)結(jié)光電探測器中作為主要光吸收區(qū)（有源區(qū)）的i-Ga2O3層完全耗盡，可以顯著提升光電探測器的性能，主要原因如下：第一，在大多數(shù)的pn結(jié)型光電探測器中，由于耗盡區(qū)較窄，大部分的光生載流子處于耗盡區(qū)之外，并且在擴(kuò)散過程中容易被復(fù)合，只有一小部分光生載流子能進(jìn)入耗盡區(qū)，對光電流產(chǎn)生貢獻(xiàn)，導(dǎo)致光電探測器響應(yīng)度較低，而本文中制備的光電探測器具有較寬的耗盡區(qū)可以更有效的分離光生載流子，減少了光生載流子復(fù)合的幾率，提高了光吸收效率，使得光電探測器的響應(yīng)度提升；第二，由于本文中制備的光電探測器具有一個(gè)全耗盡的有源區(qū)，當(dāng)光照射到光電探測器時(shí)，光生載流子可以直接在耗盡區(qū)中內(nèi)建電場的作用下做高速的漂移運(yùn)動(dòng)，避免了漫長的擴(kuò)散過程，從而顯著提升了光電探測器的響應(yīng)速度；第三，低載流子濃度的i-Ga2O3層使得光電探測器的暗電流被抑制，提高了光電探測器的探測率。

相關(guān)工作以“A Fast Self-Powered Solar-Blind Ultraviolet Photodetector Realized by Ga2O3/GaN PIN Heterojunction with a Fully Depleted Active Region”為題發(fā)表在國際著名期刊Advanced Optical Materials上，廈門大學(xué)碩士研究生陳文澄為論文第一作者，程其進(jìn)副教授和張洪良教授為通訊作者。本研究工作為開發(fā)自供電、快速響應(yīng)的高性能日盲紫外光電探測器提供了重要基礎(chǔ)。

審核編輯 ：李倩