【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】日盲紫外探測器(200-280nm)作為國防安全與環(huán)境監(jiān)測的“火眼金睛”，在森林火災預警、深空探測等領(lǐng)域發(fā)揮著不可替代的作用。然而，傳統(tǒng)硅基器件受限于4.42 eV光子能量閾值，難以實現(xiàn)本征日盲特性，同時還存在暗電流高和熱穩(wěn)定性差等瓶頸。中國科學院寧波材料技術(shù)與工程研究所硅基太陽電池及寬禁帶半導體團隊在葉繼春研究員與張文瑞研究員的帶領(lǐng)下，以鎵系超寬禁帶半導體氧化物(Ga2O3和ZnGa2O4)為核心材料，圍繞其本征日盲特性和耐極端環(huán)境等優(yōu)勢展開攻關(guān)，在缺陷調(diào)控、器件設計和系統(tǒng)應用方面取得系列研究進展。
針對日盲紫外探測器響應度和響應速度難以協(xié)同提升的技術(shù)瓶頸，研究團隊借鑒缺陷工程思路，發(fā)展了調(diào)控外延缺陷空間分布與表面缺陷鈍化技術(shù)，有效提高了光生載流子的選擇性輸運和快速收集能力，顯著提升了金屬-半導體-金屬型日盲紫外探測器件性能(光響應度>104 A/W，探測能力>1016 Jones，紫外-可見抑制比>104)，并實現(xiàn)了日盲紫外信號的成像展示(如圖1)。相關(guān)成果發(fā)表在學術(shù)期刊ACS Applied Materials & Interfaces和Materials Today Physics上(ACS Appl. Mater. Interfaces 2023, 15, 10868, DOI: 10.1021/acsami.3c00124; Mater. Today Phys. 2023, 38, 101280, DOI: 10.1016/j.mtphys.2023.101280)。
面向探測器件的低功耗和自驅(qū)動應用需求，研究團隊利用能帶工程設計和構(gòu)建了4H-SiC/ZnGa2O4和p-NiO/i-Ga2O3/n-Ga2O3異質(zhì)結(jié)自供能日盲紫外探測器。其中，4H-SiC/ZnGa2O4器件實現(xiàn)了零偏壓工作，獲得0.115A/W的高響應度，量子效率高達58.4%，并且器件在無外接偏壓的條件下，成功完成了光通信功能驗證。進一步研發(fā)了面向弱光探測的ε-Ga2O3/BaSnO3異質(zhì)結(jié)雪崩光電探測器，在46.5V反向偏壓下實現(xiàn)1.5×104 A/W的超高響應度，雪崩增益達1.6×106，創(chuàng)下同類器件性能紀錄(如圖2)。該成果為深空探測等極端環(huán)境下的弱光信號檢測提供了創(chuàng)新解決方案。相關(guān)成果發(fā)表在學術(shù)期刊Applied Physics Letters、ACS Applied Materials & Interfaces和Materials Today Physics上(Appl. Phys. Lett. 2023, 123, 201104, DOI: 10.1063/5.0178815; ACS Appl. Mater. Interfaces 2025, DOI: 10.1021/acsami.5c00309；Mater. Today Phys. 2024, 42, 101385, DOI: 10.1016/j.mtphys.2024.101385)。
研究團隊進一步探索日盲紫外探測器在保密通信中的應用，構(gòu)建了p-NiO/n-ZnGa2O4異質(zhì)結(jié)場效應晶體管，并發(fā)現(xiàn)柵壓調(diào)控光電流極性切換現(xiàn)象。該器件在0/40 V柵壓調(diào)控下，光電流實現(xiàn)了34.53 μA/-164.08 μA的可逆切換。基于此特性，團隊設計了光電異或邏輯門方案，以柵極電壓和日盲紫外光作為輸入、漏源電流作為輸出。通過調(diào)控柵極電壓對光信號進行編碼，使通信信號被截獲，若無正確的加密信號，接收方仍無法解析原始光信息，從而實現(xiàn)信息的動態(tài)加密，有效確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?如圖3)，相關(guān)成果發(fā)表在學術(shù)期刊ACS Photonics上(ACS Photonics 2025, DOI: 10.1021/acsphotonics.4c02509)。
未來，研究團隊將持續(xù)深化鎵系超寬禁帶半導體材料與器件的基礎研究，加快推動新型紫外探測器的產(chǎn)業(yè)化應用，助力我國在高性能光電探測領(lǐng)域的技術(shù)突破與工程實踐。上述研究成果得到了國家自然科學基金(62204244、62304227)、中國科學院人才項目、浙江省自然科學基金(LZ21F040001、LQ23F040003、LQ23F040005)、寧波市甬江引才工程科技創(chuàng)新團隊(2021A-046-C)等項目的資助。
圖1 微米級ε-Ga2O3厚膜載流子輸運調(diào)控機制及性能對比
圖2 自驅(qū)動光通信系統(tǒng)工作原理示意圖
圖3 光電異或邏輯門實現(xiàn)安全光通信的原理圖
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