由東北師范大學(xué)李炳生教授團隊在學(xué)術(shù)期刊 IEEE Electron Device Letters 發(fā)布了一篇名為Bias-tuned Selective Spectral Response high-performance Ga₂O₃/GaN Heterojunction Ultraviolet Photodetector（具有偏壓可調諧光譜選擇性響應的高性能 Ga₂O₃/GaN 異質(zhì)結紫外光探測器）的文章。

1. 項目支持

本研究得到國家自然科學(xué)基金委員會(huì )（編號：62274027 和 62404039）、松湖材料實(shí)驗室開(kāi)放研究基金（2023SLABFK03）、111 中心（B25030）和吉林省資金（編號：20220502002 GH）、中國博士后科學(xué)基金項目（GZC20230416）以及中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專(zhuān)項資金（2412024QD010）的支持。

2. 背景

紫外（UV）光電探測器在火焰探測、安全通信、環(huán)境監測等領(lǐng)域有廣泛應用。根據波段不同，通常需要不同材料的探測器。將兩種不同帶隙的半導體材料結合形成異質(zhì)結，有望在單個(gè)器件中實(shí)現對多個(gè)紫外波段的探測。開(kāi)發(fā)一種能夠“選擇”或“調諧”其探測波段的探測器，對于提升系統功能性、降低復雜性和成本具有重要意義。例如一個(gè)器件如果能根據需要切換其對 UVA 或 UVC 光的敏感度，將極具應用價(jià)值。實(shí)現這種光譜選擇性的方法之一是通過(guò)改變器件的工作偏置電壓來(lái)調控其內部的電場(chǎng)分布和載流子輸運路徑。

3. 主要內容

采用 GaN 熱氧化法成功制備了 β-Ga₂O₃ 薄膜，并構建了具有不同電極參數（包括長(cháng)度、寬度和電極間距）的 Ga₂O₃/GaN 異質(zhì)結紫外光電探測器。在優(yōu)化的電極參數的情況下，探測器表現出極低的暗電流，在 10 V 偏壓下僅為 63.2 fA。在 33 μW/cm² 的紫外光照射下，探測器表現出超過(guò) 10⁶ 的光暗電流比。通過(guò)調整 β-Ga₂O₃ 光吸收層的厚度以增強紫外光吸收并減少載流子復合，探測器實(shí)現了高達 3061 A/W 的響應度和超過(guò) 10¹⁵ Jones 的探測率。此外，通過(guò)調節施加的偏壓，探測器能夠對日盲紫外單波段和日盲近紫外雙波段響應光譜進(jìn)行可調控制。這些研究成果為高性能紫外光電探測器的優(yōu)化設計和應用提供了重要的理論支持和實(shí)驗依據。

4. 創(chuàng )新點(diǎn)

● 成功演示了基于 Ga₂O₃/GaN 異質(zhì)結的偏壓可調諧雙波段（UVA 和 UVC）紫外探測器。

● 僅通過(guò)調節偏置電壓即可切換主要探測波長(cháng)是該器件的一大功能亮點(diǎn)，在單個(gè)簡(jiǎn)單器件中實(shí)現了光譜選擇性響應。

● 實(shí)現了高性能器件，包括 fA 級的超低暗電流、超過(guò) 3000 A/W 的超高響應度以及超過(guò) 10¹⁵ Jones 的極高探測率。

5. 總結

這項工作展示了一種通過(guò)熱氧化法制造的 Ga₂O₃/GaN 異質(zhì)結紫外光電探測器（PD）。該探測器表現出卓越的性能，其亮電流與暗電流之比超過(guò) 10⁶，超高響應度為 3061 A/W，探測率大于 10¹⁵ Jones。此外，通過(guò)調節施加的偏壓，該器件能夠靈活控制日盲紫外單波段和日盲近紫外雙波段響應光譜。

圖 1 （a）GaN/Al₂O₃; Ga₂O₃/GaN/Al₂O₃ 薄膜的 XRD 圖譜。（b）Ga₂O₃ 和 GaN 的截面掃描電子顯微鏡圖像。

圖2.（a）器件示意圖。電極參數示意圖。（b）暗態(tài)和光照條件下的 I-V 曲線(xiàn)。（c）10V 偏壓下的暗電流。（d）10V 偏壓下的光電流與暗電流之比。（e）10V 偏壓和 255 nm光照下的響應度。（f）10V 偏壓和 255 nm光照下的探測率。

DOI：

doi.org/10.1109/LED.2025.3562580

本文轉發(fā)自《亞洲氧化鎵聯(lián)盟》訂閱號