中科大龙世兵&华中科大薛堪豪团队Adv. Sci.：用于日盲成像的超高性能非晶Ga2O3光电探测器阵列  

【引言】

由于光电探测器（PDs）、发光二极管等光电器件在现代工农业领域的广泛应用，近年来引起了人们的广泛关注。随着BN、AlxGa_1-xN、Ga₂O₃和SiC等新兴宽禁带半导体的发展，日盲光电器件（SBPDs）由于具有优异的辐射硬度、高的热稳定性和化学稳定性，以及在日盲区的高效吸收。在这些材料中，Ga₂O₃的吸收截止波长在280nm以下，几乎涵盖了整个日盲区的范围。这些特殊的性能使Ga₂O₃成为SBPDs的候选材料。最近，基于不同类型的Ga₂O₃ PDs的研究取得了重大突破。P型半导体，如GaN和NiO，被用来与Ga₂O₃形成p-n异质结，以实现光检测的用途。然而，关于大面积Ga₂O₃ PD阵列用于日盲成像的报道很少。大面积Ga₂O₃ PD图像传感器阵列的关键挑战在于难以生长大尺寸的Ga₂O₃薄膜，以及在集成中保持其高均匀性。人们已经尝试了各种方法来生长高性能PD的Ga₂O₃薄膜，如分子束外延、金属有机化学气相沉积、磁控溅射和脉冲激光沉积。其中，磁控溅射尤其适用于高性价比、大尺度、表面光滑的Ga₂O₃薄膜沉积。然而，在实际应用中仍然存在一些缺点，如扫描速度慢、单像素成像的空间识别能力差等。因此，迫切需要进一步研究可扩展的高均匀性、高分辨率的Ga₂O₃图像传感器阵列，以满足大面积光电子学的广泛应用。

【成果简介】

近日，在中国科学技术大学龙世兵教授和华中科技大学薛堪豪教授团队等人带领下，通过后退火工艺展示了非晶（a-）Ga₂O₃的超高性能金属-半导体-金属（MSM）SBPDs。后退火的MSM a-Ga₂O₃ SBPDs表现出733 A/W的超高灵敏度和18 ms的高响应速度，在5 V下具有超过10⁴的高增益带宽积。该SBPD还显示出3.9×10⁷的超高光暗电流比。此外，由于噪声极低至3.5 fW Hz^-1/2，PDs表现出3.9 × 10¹⁶ Jones的超高比检测率，表明具有高信噪比。开尔文探针力显微镜和第一原理计算揭示了这种优越的光电特性的内在机理。此外，首次制备了后退火a-Ga₂O₃ SBPDs的大规模、高均匀性的32×32图像传感器阵列。由于该阵列的高灵敏度和高均匀性，可以获得高对比度的目标物体清晰图像。这些结果表明，Ga₂O₃ PDs在日盲成像、环境监测、人工智能和机器视觉方面应用的可行性和实用性。该成果以题为“Ultra-High Performance Amorphous Ga₂O₃ Photodetector Arrays for Solar-Blind Imaging”发表在了Adv. Sci.上。

【图文导读】

图1 退火后的a-Ga₂O₃薄膜的结构表征

a）退火后的a-Ga₂O₃薄膜的XRD图。

b）透射率光谱。插图是Tauc图。

c）O 1s谱和d) Ga 2p3/2谱。

e）退火后的a-Ga₂O₃薄膜的CL光谱。

f）退火后的a-Ga₂O₃薄膜的暗电流-电压特性和相应的SCLC模型的拟合曲线。插图是SCLC测量的示意图。

图2 退火的a-Ga₂O₃薄膜的形貌表征

a）在没有Ti/Au电极覆盖的区域，退火的a-Ga₂O₃薄膜的横截面TEM图像。

b）退火后的a-Ga₂O₃薄膜的高分辨率TEM图像。插图是红色虚线框内选定区域的FFT衍射图案。

c）PA a-Ga₂O₃ SBPD的截面HAADF-STEM图像，其中a-Ga₂O₃薄膜完全覆盖在Ti/Au电极上。

d）a-Ga₂O₃薄膜部分覆盖在Ti/Au电极上。

e,f）退火a-Ga₂O₃薄膜（e）沿（c）中黄色箭头线从上到下和（f）沿（d）中红色箭头线从左到右的原子比率的EDS数据。

图3 PA a-Ga₂O₃ PD的光电探测特性

a）PA a-Ga₂O₃ PD在暗光和不同254 nm光强激发下的半对数电流-电压特性。

b）在5V下通过10ms 254nm脉冲光激发得到的瞬态光响应特性曲线。

c）PD在黑暗中不同偏置电压下的噪声谱功率密度。

d）光电流、PDCR和e）R、D∗与光强度的关系。

f）PDs在5V下随波长变化的光响应。

图4 a-Ga₂O₃薄膜的原位KPFM电学纳米技术示意图

a）a-Ga₂O₃薄膜的原位KPFM电学纳米技术示意图，以及暗光激发下表面电位变化的机制。

b）电荷注入a-Ga₂O₃薄膜的示意图。

c,d）0、30、60和90min时，c）捕获电子和d）空穴的表面电位变化快照。

e）在254nm光照前后，PA a-Ga₂O₃ SBPD的10 µm × 10 µm扫描区域的表面电位变化过程。

图5 a-Ga₂O₃图像传感器的应用

a）32×32 a-Ga₂O₃图像传感器的示意图。

b）图像传感器的分解示意图。

c）光束移动测量的成像操作示意图。

d）显示运动过程中不同位置的光束输出图像。

【小结】

综上所述，团队通过创新的后退火工艺，展示了超高性能的MSM a-Ga₂O₃日盲光电探测器。该光电探测器在日盲区表现出卓越的灵敏度，包括极高的R值733 A W^-1，PDCR为3.9 × 10⁷，以及超高的D*为3.9 × 10¹⁶ Jones。由于通过后退火改善了薄膜质量，包括更高的电子迁移率、更低的电子陷阱密度和更强的光激载流子重组，器件在5 V偏压下实现了0.3 pA的极低暗电流和τ_r/τ_d1=1/18 ms的短衰减时间。势垒高度的降低是光电探测器内部增益巨大的原因。在这个过程中，氧空位有助于内部增益，并促进了电子-空穴复合过程，使光电探测器快速恢复。值得注意的是，首次报告了高性能PA MSM a-Ga₂O₃ SBPDs的大规模、高均匀性的32×32图像传感器阵列，该阵列具有良好的光学模式识别能力。这项工作可能为大规模和高分辨率的Ga₂O₃光电器件集成铺平道路，可应用于光通信、数字显示、人工智能视网膜等领域。

文献链接：Ultra-High Performance Amorphous Ga₂O₃ Photodetector Arrays for Solar-Blind Imaging（Adv. Sci.，2021，DOI：10.1038/s41467-021-22005-6）

本文由木文韬翻译，材料牛整理编辑。

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