近日，蘭州大學(xué)物理學(xué)院青年研究員張澤民，聯(lián)合李穎弢教授，中科大趙曉龍教授、龍士兵教授，在寬禁帶半導(dǎo)體光電探測領(lǐng)域取得重要進展，成功開發(fā)了一種同時具備超快、超靈敏響應(yīng)的Ga2O3日盲光電探測器（SBPD）。該研究以“Ultra-Fast Gallium Oxide Solar-Blind Photodetector with Novel Thermal Pulse Treatment”為題發(fā)表在材料領(lǐng)域期刊《Advanced Materials》，駱莉莉博士為第一作者。
日盲光電探測器在火焰預(yù)警、安全通信、快速目標成像和環(huán)境監(jiān)測等關(guān)鍵領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。Ga2O3 作為一種超寬禁帶材料，因其優(yōu)異的耐高溫、抗輻照特性，被認為是下一代高性能SBPD的理想候選材料。然而，Ga2O3 光電探測器普遍面臨“RS困境”，即如何在保持高響應(yīng)度（Rλ）的同時提升響應(yīng)速度。
本研究創(chuàng)新性地提出了一種熱脈沖（TPT）方法，通過精準調(diào)控Ga2O3薄膜中的溫度分布，成功形成了垂直分層的晶體結(jié)構(gòu)和氧空位（VO）分布，實現(xiàn)了對載流子生成與輸運路徑的優(yōu)化。TCAD模擬進一步驗證了VO分層結(jié)構(gòu)在提高Rλ和響應(yīng)速度方面的關(guān)鍵作用。實驗表明，經(jīng)過TPT處理的Ga2O3 SBPD在254 nm的紫外光照射下具有增強的性能，最高Rλ達到312.6 A/W，衰減時間縮短至40 μs，顯著優(yōu)于傳統(tǒng)處理方式。
圖1：在a）TPT之前和b）TPT之后薄膜分層結(jié)構(gòu)及載流子傳輸路徑。c）成品芯片制備以及大面積陣列的詳細示意圖。d）室外高壓電弧放電檢測。
基于該技術(shù)，研究團隊成功制備了高性能Ga2O3 SBPD芯片，并在日盲成像、光軌跡跟蹤和日盲功率計等應(yīng)用中展現(xiàn)出卓越性能。其中，10×10像素的探測芯片實現(xiàn)了高對比度太陽盲成像，可實時追蹤光斑運動路徑，展現(xiàn)出良好的環(huán)境適應(yīng)性。此外，基于該光探測器，研究團隊開發(fā)了一種便攜式日盲UV探測設(shè)備，在高壓電弧放電檢測中表現(xiàn)出優(yōu)異的日盲識別能力，為未來高靈敏深紫外探測應(yīng)用提供了新的技術(shù)支撐。該研究成果有望推動高性能紫外光探測技術(shù)的應(yīng)用，包括深空探測、高精度火焰監(jiān)測和先進光通信系統(tǒng)，為新一代高效光電探測技術(shù)的發(fā)展奠定堅實基礎(chǔ)。
該項研究得到了國家重點研發(fā)計劃，國家自然科學(xué)基金和甘肅省重點研發(fā)計劃等項目的資助。
文章鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202414130
（來源：蘭州大學(xué)）
