近日，中國科大微電子學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用提供了一種可行的參考。相關成果以“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，在導彈跟蹤、火災預警和深空探測等諸多關鍵應用場景中發(fā)揮著重要作用。在這些獨特的應用場景中，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，使其對不同應用場景有著豐富的兼容性及設計自由度。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)光電導效應明顯等問題。
圖1. 氧化鎵材料設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構的影響，包括重結晶、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（響應度及探測率）；(c) 所設計N-900器件在高溫下的I-V響應曲線；(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計及后退火工藝以實現(xiàn)材料的重結晶及摻雜補償。富鎵材料是器件具備高響應電流及引入摻雜補償?shù)年P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計的氧化鎵探測器在紫外探測領域脫穎而出。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)分布及對應的成像效果。
中國科學技術大學微電子學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基金、中國科學院戰(zhàn)略性先導研究計劃、中國科學院前沿科學重點研究計劃、廣東省重點領域研究發(fā)展計劃及中國科學院微電子研究所微電子器件與集成技術重點實驗室開放課題的資助。也得到了中國科學技術大學微納研究與制造中心、中國科學技術大學信息科學實驗中心、中國科學技術大學行星探索與前瞻性技術前沿科學中心、中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所納米器件與應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
