由東北師范大學(xué)李炳生教授團(tuán)隊(duì)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(diào)諧光譜選擇性響應(yīng)的高性能 Ga₂O₃/GaN 異質(zhì)結(jié)紫外光探測(cè)器）的文章。

1. 項(xiàng)目支持

本研究得到國家自然科學(xué)基金委員會(huì)（編號(hào)：62274027 和 62404039）、松湖材料實(shí)驗(yàn)室開放研究基金（2023SLABFK03）、111 中心（B25030）和吉林省資金（編號(hào)：20220502002 GH）、中國博士后科學(xué)基金項(xiàng)目（GZC20230416）以及中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金（2412024QD010）的支持。

2. 背景

紫外（UV）光電探測(cè)器在火焰探測(cè)、安全通信、環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。根據(jù)波段不同，通常需要不同材料的探測(cè)器。將兩種不同帶隙的半導(dǎo)體材料結(jié)合形成異質(zhì)結(jié)，有望在單個(gè)器件中實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)紫外波段的探測(cè)。開發(fā)一種能夠“選擇”或“調(diào)諧”其探測(cè)波段的探測(cè)器，對(duì)于提升系統(tǒng)功能性、降低復(fù)雜性和成本具有重要意義。例如一個(gè)器件如果能根據(jù)需要切換其對(duì) UVA 或 UVC 光的敏感度，將極具應(yīng)用價(jià)值。實(shí)現(xiàn)這種光譜選擇性的方法之一是通過改變器件的工作偏置電壓來調(diào)控其內(nèi)部的電場(chǎng)分布和載流子輸運(yùn)路徑。

3. 主要內(nèi)容

采用 GaN 熱氧化法成功制備了 β-Ga₂O₃ 薄膜，并構(gòu)建了具有不同電極參數(shù)（包括長(zhǎng)度、寬度和電極間距）的 Ga₂O₃/GaN 異質(zhì)結(jié)紫外光電探測(cè)器。在優(yōu)化的電極參數(shù)的情況下，探測(cè)器表現(xiàn)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(cè)器表現(xiàn)出超過 10⁶ 的光暗電流比。通過調(diào)整 β-Ga₂O₃ 光吸收層的厚度以增強(qiáng)紫外光吸收并減少載流子復(fù)合，探測(cè)器實(shí)現(xiàn)了高達(dá) 3061 A/W 的響應(yīng)度和超過 10¹⁵ Jones 的探測(cè)率。此外，通過調(diào)節(jié)施加的偏壓，探測(cè)器能夠?qū)θ彰ぷ贤鈫尾ǘ魏腿彰そ贤怆p波段響應(yīng)光譜進(jìn)行可調(diào)控制。這些研究成果為高性能紫外光電探測(cè)器的優(yōu)化設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供了重要的理論支持和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

4. 創(chuàng)新點(diǎn)

● 成功演示了基于 Ga₂O₃/GaN 異質(zhì)結(jié)的偏壓可調(diào)諧雙波段（UVA 和 UVC）紫外探測(cè)器。

● 僅通過調(diào)節(jié)偏置電壓即可切換主要探測(cè)波長(zhǎng)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(xiàn)了光譜選擇性響應(yīng)。

● 實(shí)現(xiàn)了高性能器件，包括 fA 級(jí)的超低暗電流、超過 3000 A/W 的超高響應(yīng)度以及超過 10¹⁵ Jones 的極高探測(cè)率。

5. 總結(jié)

這項(xiàng)工作展示了一種通過熱氧化法制造的 Ga₂O₃/GaN 異質(zhì)結(jié)紫外光電探測(cè)器（PD）。該探測(cè)器表現(xiàn)出卓越的性能，其亮電流與暗電流之比超過 10⁶，超高響應(yīng)度為 3061 A/W，探測(cè)率大于 10¹⁵ Jones。此外，通過調(diào)節(jié)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(yīng)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(shù)示意圖。（b）暗態(tài)和光照條件下的 I-V 曲線。（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(yīng)度。（f）10V 偏壓和 255 nm光照下的探測(cè)率。

DOI：

doi.org/10.1109/LED.2025.3562580

本文轉(zhuǎn)發(fā)自《亞洲氧化鎵聯(lián)盟》訂閱號(hào)