中科大龍世兵&華中科大薛堪豪團隊Adv. Sci.：用于日盲成像的超高性能非晶Ga2O3光電探測器陣列 ?

【引言】

由于光電探測器（PDs）、發光二極管等光電器件在現代工農業領域的廣泛應用，近年來引起了人們的廣泛關注。隨著BN、AlxGa_1-xN、Ga₂O₃和SiC等新興寬禁帶半導體的發展，日盲光電器件（SBPDs）由于具有優異的輻射硬度、高的熱穩定性和化學穩定性，以及在日盲區的高效吸收。在這些材料中，Ga₂O₃的吸收截止波長在280nm以下，幾乎涵蓋了整個日盲區的范圍。這些特殊的性能使Ga₂O₃成為SBPDs的候選材料。最近，基于不同類型的Ga₂O₃?PDs的研究取得了重大突破。P型半導體，如GaN和NiO，被用來與Ga₂O₃形成p-n異質結，以實現光檢測的用途。然而，關于大面積Ga₂O₃?PD陣列用于日盲成像的報道很少。大面積Ga₂O₃?PD圖像傳感器陣列的關鍵挑戰在于難以生長大尺寸的Ga₂O₃薄膜，以及在集成中保持其高均勻性。人們已經嘗試了各種方法來生長高性能PD的Ga₂O₃薄膜，如分子束外延、金屬有機化學氣相沉積、磁控濺射和脈沖激光沉積。其中，磁控濺射尤其適用于高性價比、大尺度、表面光滑的Ga₂O₃薄膜沉積。然而，在實際應用中仍然存在一些缺點，如掃描速度慢、單像素成像的空間識別能力差等。因此，迫切需要進一步研究可擴展的高均勻性、高分辨率的Ga₂O₃圖像傳感器陣列，以滿足大面積光電子學的廣泛應用。

【成果簡介】

近日，在中國科學技術大學龍世兵教授和華中科技大學薛堪豪教授團隊等人帶領下，通過后退火工藝展示了非晶（a-）Ga₂O₃的超高性能金屬-半導體-金屬（MSM）SBPDs。后退火的MSM a-Ga₂O₃?SBPDs表現出733 A/W的超高靈敏度和18 ms的高響應速度，在5 V下具有超過10⁴的高增益帶寬積。該SBPD還顯示出3.9×10⁷的超高光暗電流比。此外，由于噪聲極低至3.5 fW Hz^-1/2，PDs表現出3.9 × 10¹⁶?Jones的超高比檢測率，表明具有高信噪比。開爾文探針力顯微鏡和第一原理計算揭示了這種優越的光電特性的內在機理。此外，首次制備了后退火a-Ga₂O₃?SBPDs的大規模、高均勻性的32×32圖像傳感器陣列。由于該陣列的高靈敏度和高均勻性，可以獲得高對比度的目標物體清晰圖像。這些結果表明，Ga₂O₃?PDs在日盲成像、環境監測、人工智能和機器視覺方面應用的可行性和實用性。該成果以題為“Ultra-High Performance Amorphous Ga₂O₃?Photodetector Arrays for Solar-Blind Imaging”發表在了Adv. Sci.上。

【圖文導讀】

圖1 退火后的a-Ga₂O₃薄膜的結構表征

a）退火后的a-Ga₂O₃薄膜的XRD圖。

b）透射率光譜。插圖是Tauc圖。

c）O 1s譜和d) Ga 2p3/2譜。

e）退火后的a-Ga₂O₃薄膜的CL光譜。

f）退火后的a-Ga₂O₃薄膜的暗電流-電壓特性和相應的SCLC模型的擬合曲線。插圖是SCLC測量的示意圖。

圖2 退火的a-Ga₂O₃薄膜的形貌表征

a）在沒有Ti/Au電極覆蓋的區域，退火的a-Ga₂O₃薄膜的橫截面TEM圖像。

b）退火后的a-Ga₂O₃薄膜的高分辨率TEM圖像。插圖是紅色虛線框內選定區域的FFT衍射圖案。

c）PA a-Ga₂O₃?SBPD的截面HAADF-STEM圖像，其中a-Ga₂O₃薄膜完全覆蓋在Ti/Au電極上。

d）a-Ga₂O₃薄膜部分覆蓋在Ti/Au電極上。

e,f）退火a-Ga₂O₃薄膜（e）沿（c）中黃色箭頭線從上到下和（f）沿（d）中紅色箭頭線從左到右的原子比率的EDS數據。

圖3 PA a-Ga₂O₃?PD的光電探測特性

a）PA a-Ga₂O₃?PD在暗光和不同254 nm光強激發下的半對數電流-電壓特性。

b）在5V下通過10ms 254nm脈沖光激發得到的瞬態光響應特性曲線。

c）PD在黑暗中不同偏置電壓下的噪聲譜功率密度。

d）光電流、PDCR和e）R、D?與光強度的關系。

f）PDs在5V下隨波長變化的光響應。

圖4 a-Ga₂O₃薄膜的原位KPFM電學納米技術示意圖

a）a-Ga₂O₃薄膜的原位KPFM電學納米技術示意圖，以及暗光激發下表面電位變化的機制。

b）電荷注入a-Ga₂O₃薄膜的示意圖。

c,d）0、30、60和90min時，c）捕獲電子和d）空穴的表面電位變化快照。

e）在254nm光照前后，PA a-Ga₂O₃?SBPD的10 μm × 10 μm掃描區域的表面電位變化過程。

圖5?a-Ga₂O₃圖像傳感器的應用

a）32×32 a-Ga₂O₃圖像傳感器的示意圖。

b）圖像傳感器的分解示意圖。

c）光束移動測量的成像操作示意圖。

d）顯示運動過程中不同位置的光束輸出圖像。

【小結】

綜上所述，團隊通過創新的后退火工藝，展示了超高性能的MSM a-Ga₂O₃日盲光電探測器。該光電探測器在日盲區表現出卓越的靈敏度，包括極高的R值733 A W^-1，PDCR為3.9 × 10⁷，以及超高的D*為3.9 × 10¹⁶?Jones。由于通過后退火改善了薄膜質量，包括更高的電子遷移率、更低的電子陷阱密度和更強的光激載流子重組，器件在5 V偏壓下實現了0.3 pA的極低暗電流和τ_r/τ_d1=1/18 ms的短衰減時間。勢壘高度的降低是光電探測器內部增益巨大的原因。在這個過程中，氧空位有助于內部增益，并促進了電子-空穴復合過程，使光電探測器快速恢復。值得注意的是，首次報告了高性能PA MSM a-Ga₂O₃?SBPDs的大規模、高均勻性的32×32圖像傳感器陣列，該陣列具有良好的光學模式識別能力。這項工作可能為大規模和高分辨率的Ga₂O₃光電器件集成鋪平道路，可應用于光通信、數字顯示、人工智能視網膜等領域。

文獻鏈接：Ultra-High Performance Amorphous Ga₂O₃?Photodetector Arrays for Solar-Blind Imaging（Adv. Sci.，2021，DOI：10.1038/s41467-021-22005-6）

本文由木文韜翻譯，材料牛整理編輯。

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