由于大氣層的強烈吸收，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、抗干擾能量強等優點。日盲紫外光電探測器在導彈預警、電網電暈檢測、火焰探測、臭氧層太陽光紫外線監視等領域具有重要的應用。

圖1. 日盲深紫外光電探測器應用及超寬禁帶氧化鎵材料

氧化鎵（Ga_{portant; overflow-wrap: break-word !important;">2}O_{portant; overflow-wrap: break-word !important;">3}）是一種新興寬禁帶半導體（禁帶寬度為4.9 eV），具有熱穩定性好、禁帶寬度大、紫外吸收系數大、材料易加工等優點，是日盲紫外探測理想的半導體材料。基于Ga_{portant; overflow-wrap: break-word !important;">2}O_{portant; overflow-wrap: break-word !important;">3}的日盲紫外光電探測器已有很多的報道。其中，pn結型光電探測器因其快速響應和自供電特性。pn結型光電探測器的優點與其內部的耗盡區密切相關。然而，目前報道的大多數pn結型光電探測器由于p區或n區的重摻雜導致耗盡區寬度較窄，這無疑限制了光電探測器的性能。

為了解決上述問題，廈門大學張洪良、程其進課題組基于Ga_{portant; overflow-wrap: break-word !important;">2}O_{portant; overflow-wrap: break-word !important;">3}研發了一種具有全耗盡有源區的pin（p-GaN/i-Ga_{portant; overflow-wrap: break-word !important;">2}O_{portant; overflow-wrap: break-word !important;">3}/n-Ga_{portant; overflow-wrap: break-word !important;">2}O_{portant; overflow-wrap: break-word !important;">3}）異質結自供電日盲紫外光電探測器。該pin異質結光電探測器具有優越的日盲探測能力，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速度（上升時間為7 ms，下降時間為19 ms）以及良好的動態響應特性（在248 nm的脈沖激光激發下下降時間為185 μs）；并且器件具有良好的穩定性，經過長時間的開關或者放置之后器件的響應特性幾乎沒有變化。

圖2. 全耗盡有源區的pin（p-GaN/i-Ga_{portant; overflow-wrap: break-word !important;">2}O_{portant; overflow-wrap: break-word !important;">3}/n-Ga_{portant; overflow-wrap: break-word !important;">2}O_{portant; overflow-wrap: break-word !important;">3}）異質結自供電日盲紫外光電探測器件結構設計和能帶結構；器件實現了零偏壓下的自驅動和較快的響應速度。

另一方面，作者也通過高分辨X射線光電子能譜對Ga_{portant; overflow-wrap: break-word !important;">2}O_{portant; overflow-wrap: break-word !important;">3}/GaN異質結界面的電子結構進行了詳細的研究，如帶階、內建電勢等，并從電子結構和能帶的角度分析了光電探測器中優越器件性能的來源。研究發現，通過對耗盡區寬度的嚴格調控，使得Ga_{portant; overflow-wrap: break-word !important;">2}O_{portant; overflow-wrap: break-word !important;">3}/GaN pin異質結光電探測器中作為主要光吸收區（有源區）的i-Ga_{portant; overflow-wrap: break-word !important;">2}O_{portant; overflow-wrap: break-word !important;">3}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，在大多數的pn結型光電探測器中，由于耗盡區較窄，大部分的光生載流子處于耗盡區之外，并且在擴散過程中容易被復合，只有一小部分光生載流子能進入耗盡區，對光電流產生貢獻，導致光電探測器響應度較低，而本文中制備的光電探測器具有較寬的耗盡區可以更有效的分離光生載流子，減少了光生載流子復合的幾率，提高了光吸收效率，使得光電探測器的響應度提升；第二，由于本文中制備的光電探測器具有一個全耗盡的有源區，當光照射到光電探測器時，光生載流子可以直接在耗盡區中內建電場的作用下做高速的漂移運動，避免了漫長的擴散過程，從而顯著提升了光電探測器的響應速度；第三，低載流子濃度的i-Ga_{portant; overflow-wrap: break-word !important;">2}O_{portant; overflow-wrap: break-word !important;">3}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。

相關工作以“A Fast Self-Powered Solar-Blind Ultraviolet Photodetector Realized by Ga_{portant; overflow-wrap: break-word !important;">2}O_{portant; overflow-wrap: break-word !important;">3}/GaN PIN Heterojunction with a Fully Depleted Active Region”為題發表在國際著名期刊Advanced Optical Materials上，廈門大學碩士研究生陳文澄為論文第一作者，程其進副教授和張洪良教授為通訊作者。本研究工作為開發自供電、快速響應的高性能日盲紫外光電探測器提供了重要基礎。

論文信息

A Fast Self-Powered Solar-Blind Ultraviolet Photodetector Realized byGa_{portant; overflow-wrap: break-word !important;">2}O_{portant; overflow-wrap: break-word !important;">3}/GaN PIN Heterojunction with a Fully Depleted Active Region

Wencheng Chen, Xiangyu Xu, Minghang Li, Siliang Kuang, Kelvin H. L. Zhang*, and Qijin Cheng*

Advanced Optical Materials

DOI: 10.1002/adom.202202847

原文鏈接

https://doi.org/10.1002/adom.202202847

（來源：化學與材料科學）