目前，基于寬帶隙半導體的紫外光檢測技術取得了巨大進展，由于其自然特性和抗外部干擾能力，大規模、高性能光電探測器單元陣列廣泛應用于圖像傳感、環境監測、生物研究和太空探索等領域，促進了現代光電子器件的發展。具有代表性的寬帶隙半導體就是氧化鎵（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好的光響應性能，但仍然缺少一定數目的單元。唐為華教授團隊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、中科大、合肥工大以及印度學者也相繼報道了不同規模的Ga2O3陣列探測器與成像應用。但目前設計的陣列仍有許多缺點，如探測器陣列單元數量較少、陣列結構單一、單元面積過大造成晶體利用率低、微機械加工技術較差和圖案化生長技術不成熟等。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。當下需要解決的基礎問題在于薄膜的大面積均勻性和陣列布線的合理設計。
氧化鎵陣列探測器發展進程圖示
近日，得益于在Ga2O3基光電導型、肖特基型以及異質結構的光電探測器件方面的多年積累，南京郵電大學唐為華教授領導的氧化鎵創新中心（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省探測器陣列的占用面積，利于集成化應用，且無需復雜的絕緣隔離工藝。可一次性、快速地對較復雜的圖像進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。響應度達到了60.7 A W-1、探測度達到了2.21014 Jones、線性動態區為120.34 dB以及快速的響應時間。值得注意的是，對256個單元進行電學測試，發現暗電流均在2 pA和4 pA間，最大標準偏差在6%-10%。這些表明了器件良好的均勻性和在紫外圖像傳感應用領域的潛力。相關成果發表在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隊密切合作完成，研究得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金等項目的資助。
基于2英寸β-Ga2O3薄膜的探測器陣列與成像應用
唐為華教授團隊專注氧化鎵科研攻關十余年，是國內較早開展Ga2O3科學研究與產業化實踐的先行者，在材料生長(單晶/外延)、晶相/物性調控、表界面/能帶工程、金半接觸、光電及信息存儲器件的結構設計與構筑等方面獲得了多項重要的突破和進展，在該研究領域形成了特色鮮明的自主創新體系，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研究”為題獲得了2020年度北京市自然科學二等獎，被美國空軍研究實驗室評價為該領域最活躍的研究團隊。在美國等西方國家對Ga2O3等超寬禁帶半導體材料實施出口管制的嚴峻形勢下，團隊在β-Ga2O3單晶生長與襯底加工技術方面的工作積累為器件研發提供了便利的材料基礎。
論文鏈接：
1. 16×16 Solar-Blind UV Detector based on β-Ga2O3 Sensors, IEEE Electron Device Lett., https://ieeexplore.ieee.org/document/10115448
2. High responsivity and fast response 8×8 β-Ga2O3 solar-blind ultraviolet imaging photodetector array, Sci. China Technol. Sci.,
http://engine.scichina.com/doi/10.1007/s11431-022-2404-8
3. 16×4 Linear Solar-Blind UV Photoconductive Detector Array based on β-Ga2O3 Film, IEEE Trans. Electron Devices, https://ieeexplore.ieee.org/document/9443644
4. Arrays of Solar-Blind Ultraviolet Photodetector based on β-Ga2O3 Epitaxial Thin Films, IEEE Photonics Technol. Lett., https://ieeexplore.ieee.org/document/8337767
