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科研進展

2021年10月14日
中國科大在日盲紫外探測領域研究中取得進展

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了極端環境下依然表現超高靈敏度的日盲探測器。該方法為高性能、耐極端環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”為題在線發表在《先進材料》(AdvancedMaterials)雜志上。

日(ri)盲(mang)(mang)紫外(wai)(wai)光(guang)電(dian)探(tan)(tan)測(ce)(ce)(ce)(ce)器(qi)(qi)作(zuo)為光(guang)譜探(tan)(tan)測(ce)(ce)(ce)(ce)不(bu)可或缺的(de)(de)部分,在導(dao)(dao)彈跟蹤、火(huo)災預警和深空探(tan)(tan)測(ce)(ce)(ce)(ce)等(deng)諸多關鍵應(ying)(ying)用(yong)場(chang)景(jing)中(zhong)發(fa)(fa)揮(hui)著重要(yao)作(zuo)用(yong)。在這些獨特(te)的(de)(de)應(ying)(ying)用(yong)場(chang)景(jing)中(zhong),日(ri)盲(mang)(mang)紫外(wai)(wai)光(guang)電(dian)探(tan)(tan)測(ce)(ce)(ce)(ce)器(qi)(qi)將不(bu)可避免地面對極端惡劣的(de)(de)環(huan)(huan)境(如高(gao)(gao)(gao)溫、高(gao)(gao)(gao)電(dian)場(chang)、高(gao)(gao)(gao)輻射(she))。然(ran)而(er),傳統的(de)(de)硅基日(ri)盲(mang)(mang)紫外(wai)(wai)探(tan)(tan)測(ce)(ce)(ce)(ce)器(qi)(qi)對紫外(wai)(wai)光(guang)靈敏度低(di)、熱(re)穩定性(xing)(xing)差,難(nan)以滿足苛(ke)刻環(huan)(huan)境下高(gao)(gao)(gao)靈敏探(tan)(tan)測(ce)(ce)(ce)(ce)的(de)(de)需求(qiu)。因此,亟需開發(fa)(fa)一種(zhong)具有(you)較(jiao)高(gao)(gao)(gao)環(huan)(huan)境耐受性(xing)(xing)的(de)(de)高(gao)(gao)(gao)性(xing)(xing)能(neng)日(ri)盲(mang)(mang)紫外(wai)(wai)探(tan)(tan)測(ce)(ce)(ce)(ce)器(qi)(qi)。氧(yang)化鎵(jia)(jia)作(zuo)為新興的(de)(de)超(chao)寬禁帶半導(dao)(dao)體(ti)材料,具有(you)熱(re)穩定性(xing)(xing)好、禁帶寬度大、紫外(wai)(wai)吸收(shou)系數大、材料易加(jia)工等(deng)優(you)點,是日(ri)盲(mang)(mang)紫外(wai)(wai)探(tan)(tan)測(ce)(ce)(ce)(ce)較(jiao)為理(li)想的(de)(de)候選材料。目前,基于單晶(jing)氧(yang)化鎵(jia)(jia)材料的(de)(de)日(ri)盲(mang)(mang)紫外(wai)(wai)探(tan)(tan)測(ce)(ce)(ce)(ce)器(qi)(qi)面臨(lin)著成本高(gao)(gao)(gao)、規模(mo)小(xiao)、隔離困難(nan)等(deng)問題。相比(bi)之下,非晶(jing)氧(yang)化鎵(jia)(jia)具有(you)易制備、成本低(di)、易集成等(deng)特(te)點,使其(qi)對不(bu)同應(ying)(ying)用(yong)場(chang)景(jing)有(you)著豐富的(de)(de)兼容性(xing)(xing)及(ji)設計(ji)自由(you)度。然(ran)而(er),基于非晶(jing)氧(yang)化鎵(jia)(jia)材料開發(fa)(fa)高(gao)(gao)(gao)環(huan)(huan)境耐受性(xing)(xing)的(de)(de)高(gao)(gao)(gao)性(xing)(xing)能(neng)日(ri)盲(mang)(mang)紫外(wai)(wai)探(tan)(tan)測(ce)(ce)(ce)(ce)器(qi)(qi)還需解決其(qi)材料穩定性(xing)(xing)差、缺陷密度高(gao)(gao)(gao)、漏電(dian)流大、持續光(guang)電(dian)導(dao)(dao)效應(ying)(ying)明(ming)顯(xian)等(deng)問題。

圖1. 氧(yang)化(hua)鎵(jia)材料設計及(ji)日(ri)盲紫外(wai)探(tan)測(ce)器(qi)(qi)(qi)性能。(a) 缺陷及(ji)摻雜工程對(dui)非晶氧(yang)化(hua)鎵(jia)結構的(de)影響,包括重結晶、納米孔的(de)形成及(ji)氮的(de)摻雜;(b) 不(bu)同退火溫度(du)下(xia)器(qi)(qi)(qi)件(jian)(jian)的(de)探(tan)測(ce)性能(響應度(du)及(ji)探(tan)測(ce)率);(c) 所設計N-900器(qi)(qi)(qi)件(jian)(jian)在(zai)高溫下(xia)的(de)I-V響應曲線;(d) N-900器(qi)(qi)(qi)件(jian)(jian)與典(dian)型的(de)高溫紫外(wai)探(tan)測(ce)器(qi)(qi)(qi)性能的(de)比較(jiao)。

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的關鍵;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等諸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。經過氮氣高溫增韌的富鎵GaOX薄膜,材料穩定性增強,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境耐受性。通過上述缺陷和摻雜工程設計,實現了高性能且耐極端環境的日盲紫外探測器。與常規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,達到創紀錄的1.8×107,顯示出器件優異的光譜選擇性。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、耐極端環境的日盲探測器的實現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(ri)盲紫(zi)外成像演示。(a) 成像系統(tong)示意圖;(b) 器件陣列光學照片;(c) 不同溫度下(xia)(xia)陣列單元(yuan)的光/暗電(dian)流(liu)統(tong)計;(d) 不同高(gao)溫下(xia)(xia),電(dian)流(liu)的靜態(tai)分(fen)布及對(dui)應的成像效果。

愛游戲(xi)app微(wei)電子學(xue)(xue)院龍世兵教授和(he)趙曉(xiao)龍博(bo)士后(hou)為該論文共同(tong)通訊作(zuo)者(zhe)(zhe),博(bo)士生(sheng)侯小虎為論文第一作(zuo)者(zhe)(zhe)。該研(yan)究得到(dao)了國家(jia)自然科學(xue)(xue)基金、中(zhong)(zhong)(zhong)國科學(xue)(xue)院戰略性先導研(yan)究計(ji)劃(hua)、中(zhong)(zhong)(zhong)國科學(xue)(xue)院前沿科學(xue)(xue)重點(dian)研(yan)究計(ji)劃(hua)、廣(guang)東省重點(dian)領域研(yan)究發展計(ji)劃(hua)及中(zhong)(zhong)(zhong)國科學(xue)(xue)院微(wei)電子研(yan)究所(suo)微(wei)電子器件與(yu)集成(cheng)技(ji)(ji)術(shu)(shu)重點(dian)實驗(yan)室(shi)開放課題的(de)資助(zhu)。也得到(dao)了愛游戲(xi)app微(wei)納研(yan)究與(yu)制造中(zhong)(zhong)(zhong)心、愛游戲(xi)app信(xin)息科學(xue)(xue)實驗(yan)中(zhong)(zhong)(zhong)心、愛游戲(xi)app行星探索與(yu)前瞻性技(ji)(ji)術(shu)(shu)前沿科學(xue)(xue)中(zhong)(zhong)(zhong)心、中(zhong)(zhong)(zhong)國科學(xue)(xue)院蘇(su)州(zhou)納米(mi)技(ji)(ji)術(shu)(shu)與(yu)納米(mi)仿生(sheng)研(yan)究所(suo)納米(mi)器件與(yu)應用(yong)重點(dian)實驗(yan)室(shi)的(de)支持。

論文鏈接:


(微電子學(xue)院、科研部)

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