南郵科研團(tuán)隊在氧化鎵日盲紫外陣列成像器件研究中獲新突破

目前，基于寬帶隙半導(dǎo)體的紫外光檢測技術(shù)取得了巨大進(jìn)展，由于其自然特性和抗外部干擾能力，大規(guī)模、高性能光電探測器單元陣列廣泛應(yīng)用于圖像傳感、環(huán)境監(jiān)測、生物研究和太空探索等領(lǐng)域，促進(jìn)了現(xiàn)代光電子器件的發(fā)展。具有代表性的寬帶隙半導(dǎo)體就是氧化鎵（Ga2O3），其~4.9 eV的直接帶隙恰好可用于檢測日盲紫外線輻照。

迄今，基于Ga2O3的光電探測器陣列盡管具有相當(dāng)好的光響應(yīng)性能，但仍然缺少一定數(shù)目的單元。唐為華教授團(tuán)隊2018年最早報道了16單元的Ga2O3矩形陣列【IEEE Photon. Technol. Lett., 2018, 30, 993】，2021年報道了64單元的Ga2O3線性陣列【IEEE Trans. Electron Devices, 2021, 68, 3435】；鄭州大學(xué)、中科大、合肥工大以及印度學(xué)者也相繼報道了不同規(guī)模的Ga2O3陣列探測器與成像應(yīng)用。但目前設(shè)計的陣列仍有許多缺點(diǎn)，如探測器陣列單元數(shù)量較少、陣列結(jié)構(gòu)單一、單元面積過大造成晶體利用率低、微機(jī)械加工技術(shù)較差和圖案化生長技術(shù)不成熟等。為了獲得更好的性能，比如為了獲得高分辨率傳感圖像，就需要在單晶片上集成更多的陣列單元。當(dāng)下需要解決的基礎(chǔ)問題在于薄膜的大面積均勻性和陣列布線的合理設(shè)計。

氧化鎵陣列探測器發(fā)展進(jìn)程圖示

近日，得益于在Ga2O3基光電導(dǎo)型、肖特基型以及異質(zhì)結(jié)構(gòu)的光電探測器件方面的多年積累，南京郵電大學(xué)唐為華教授領(lǐng)導(dǎo)的氧化鎵創(chuàng)新中心（IC-GAO）成功制備出基于MOCVD生長2英寸β-Ga2O3薄膜的88和1616日盲紫外探測器陣列。相較于線性布局，該工作中的1616方形布局更有利于節(jié)省探測器陣列的占用面積，利于集成化應(yīng)用，且無需復(fù)雜的絕緣隔離工藝。可一次性、快速地對較復(fù)雜的圖像進(jìn)行記錄并通過外部電路讀出。該陣列8103的紫外/可見光抑制比顯示出良好的波長選擇性，為精確日盲紫外成像奠定基礎(chǔ)。響應(yīng)度達(dá)到了60.7 A W-1、探測度達(dá)到了2.21014 Jones、線性動態(tài)區(qū)為120.34 dB以及快速的響應(yīng)時間。

值得注意的是，對256個單元進(jìn)行電學(xué)測試，發(fā)現(xiàn)暗電流均在2 pA和4 pA間，最大標(biāo)準(zhǔn)偏差在6%-10%。這些表明了器件良好的均勻性和在紫外圖像傳感應(yīng)用領(lǐng)域的潛力。相關(guān)成果發(fā)表在IEEE Electron Device Letters (doi: 10.1109/LED.2023.3272909)和Science China Technological Sciences (doi: 10.1007/s11431-022-2404-8)上。論文第一作者為研究生沈高輝，通訊作者為唐為華教授和劉增副教授。工作是與郭宇鋒教授團(tuán)隊密切合作完成，研究得到國家重點(diǎn)研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金等項目的資助。

基于2英寸β-Ga2O3薄膜的探測器陣列與成像應(yīng)用

唐為華教授團(tuán)隊專注氧化鎵科研攻關(guān)十余年，是國內(nèi)較早開展Ga2O3科學(xué)研究與產(chǎn)業(yè)化實(shí)踐的先行者，在材料生長(單晶/外延)、晶相/物性調(diào)控、表界面/能帶工程、金半接觸、光電及信息存儲器件的結(jié)構(gòu)設(shè)計與構(gòu)筑等方面獲得了多項重要的突破和進(jìn)展，在該研究領(lǐng)域形成了特色鮮明的自主創(chuàng)新體系，并基于在Ga2O3外延薄膜與日盲探測器方面的積累以“氧化鎵外延薄膜及深紫外傳感器件基礎(chǔ)研究”為題獲得了2020年度北京市自然科學(xué)二等獎，被美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室評價為該領(lǐng)域最活躍的研究團(tuán)隊。在美國等西方國家對Ga2O3等超寬禁帶半導(dǎo)體材料實(shí)施出口管制的嚴(yán)峻形勢下，團(tuán)隊在β-Ga2O3單晶生長與襯底加工技術(shù)方面的工作積累為器件研發(fā)提供了便利的材料基礎(chǔ)。

審核編輯 ：李倩