日盲紫外探測(cè)技術(shù)因高信噪比、低誤警率的特性，已成為天體物理觀測(cè)、高壓電力監(jiān)測(cè)、森林防火、國(guó)家高技術(shù)應(yīng)用等領(lǐng)域關(guān)鍵技術(shù)。傳統(tǒng)硅基探測(cè)器受限于材料特性，需通過復(fù)雜濾光系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)日盲波段識(shí)別，導(dǎo)致設(shè)備笨重、成本高昂且抗輻射能力不足。超寬禁帶半導(dǎo)體氧化鎵（Ga2O3）帶隙~4.9 eV，是天然的日盲紫外波段（200-280 nm）探測(cè)材料，其254 nm光譜截止特性可在無需外置濾光裝置條件下實(shí)現(xiàn)超高信噪比探測(cè)。此外，近年來Ga2O3單晶可通過熔體法等成熟工藝制備大尺寸襯底，使其兼具低成本量產(chǎn)潛力與卓越的抗輻照性能，為構(gòu)建輕量化、高性能、大面陣日盲紫外探測(cè)器集成芯片提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

中國(guó)科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所納米加工平臺(tái)聯(lián)合納米器件研究部相關(guān)團(tuán)隊(duì)，憑借氧化鎵探測(cè)器陣列優(yōu)化與智能電路設(shè)計(jì)的協(xié)同創(chuàng)新，在日盲紫外探測(cè)領(lǐng)域取得重要突破。

動(dòng)態(tài)紫外成像系統(tǒng)：Ga2O3陣列實(shí)現(xiàn)3米日盲紫外目標(biāo)實(shí)時(shí)追蹤

研究團(tuán)隊(duì)基于金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積（MOCVD）外延生長(zhǎng)技術(shù)通過優(yōu)化三乙基鎵（TEGa）流量抑制Ga2O3外延薄膜中深能級(jí)缺陷氧空位，將Ga2O3日盲紫外探測(cè)器的噪聲電流降低至1.01 pA，響應(yīng)速度提升至1.6 ms，靈敏度達(dá)到3.72 A/W。在電路設(shè)計(jì)方面，器件部宋賀倫團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了“四位一體”信號(hào)處理體系——采用低導(dǎo)通電阻開關(guān)陣列實(shí)現(xiàn)像素精準(zhǔn)選通，跨阻放大電路完成nA級(jí)微弱信號(hào)放大，高有效位數(shù)ADC低噪聲信號(hào)采集，結(jié)合FPGA芯片的高速并行處理，形成完整的成像電路解決方案。基于此開發(fā)的8×8像素陣列成像系統(tǒng)，可在自然光環(huán)境下識(shí)別3米外2.6 μW/cm2的微弱紫外信號(hào)，并實(shí)時(shí)捕捉運(yùn)動(dòng)點(diǎn)光源軌跡（如飛行器尾焰模擬）。為國(guó)家高技術(shù)領(lǐng)域、民用火災(zāi)監(jiān)測(cè)等場(chǎng)景提供了小型化、高可靠性的日盲紫外成像技術(shù)新范式。

該成果以Ultrasensitive dynamic ultraviolet imaging based on Ga2O3 photodetector array為題發(fā)表在光學(xué)領(lǐng)域國(guó)際著名期刊Optics Letters（2025,50(5),pp. 1633-1636.

圖1. UV動(dòng)態(tài)成像測(cè)試方案示意圖及上位機(jī)軟件顯示窗口

圖2. 紫外成像系統(tǒng)原型的示意圖和紫外成像系統(tǒng)的顯示效果

近年來，納米加工平臺(tái)圍繞超寬禁帶半導(dǎo)體材料與器件搶占“芯”一輪材料技術(shù)制高點(diǎn)的國(guó)家戰(zhàn)略需求，為超寬禁帶半導(dǎo)體氧化鎵（Ga2O3）薄膜外延與器件工藝等發(fā)展提供技術(shù)支撐，攻克氧化鎵日盲紫外探測(cè)器的靈敏度、速度與集成化等難題，近期取得了一系列新突破：

（1）低功耗探測(cè)器突破：GaON介質(zhì)層實(shí)現(xiàn)響應(yīng)度20倍躍升

針對(duì)自驅(qū)動(dòng)探測(cè)器靈敏度低的瓶頸，研究團(tuán)隊(duì)通過MOCVD技術(shù)在p-GaN基底上生長(zhǎng)多晶相Ga2O3薄膜，并創(chuàng)新引入原位GaON介質(zhì)層，顯著提升光生載流子分離效率。該器件在零偏壓下實(shí)現(xiàn)3.8 A/W超高響應(yīng)度（254 nm光照），暗電流低至3.08 pA，探測(cè)率達(dá)1.12×1014 Jones，響應(yīng)速度達(dá)66/36 ms，無需外接電源即可工作。該成果為深空探測(cè)、野外監(jiān)測(cè)等無源場(chǎng)景提供了小型化解決方案。

該成果以High-Photoresponsivity Self-Powered a?,ε?,and β?Ga2O3/p-GaN Heterojunction UV Photodetectors with an In Situ GaON Layer by MOCVD為題發(fā)表于期刊ACS Applied Materials & Interfaces上（2022,14,(30),35194-35204.

圖3. 原位GaON介質(zhì)層強(qiáng)化光電流示意圖和器件254 nm光照I-V特性曲線

（2）高速高頻探測(cè)器：納米種子層抑制缺陷，帶寬突破2 kHz

為提升器件響應(yīng)速度，團(tuán)隊(duì)在4 inch藍(lán)寶石（Sapphire）襯底MOCVD外延生長(zhǎng)時(shí)，提出并設(shè)計(jì)了單晶Ga2O3納米顆粒種子層（NPSL），將薄膜生長(zhǎng)模式從島狀生長(zhǎng)優(yōu)化為橫向合并，有效抑制氧空位等深能級(jí)缺陷。制備的金屬-半導(dǎo)體-金屬（MSM）結(jié)構(gòu)探測(cè)器暗電流僅81.03 pA，響應(yīng)速度達(dá)62/142 μs，頻率帶寬2 kHz，探測(cè)率2.81×1014 Jones，線性動(dòng)態(tài)范圍61 dB，可滿足高速通信與瞬態(tài)信號(hào)捕捉需求。

相關(guān)論文以High-Speed and Ultrasensitive Solar-Blind Ultraviolet Photodetectors based on In Situ Grown β?Ga2O3 Single-Crystal Films為題發(fā)表于期刊ACS Applied Materials & Interfaces（2024,16(5),6068-6077.

圖4. （a）4 inch Sapphrie襯底Ga2O3外延片，（b）Ga2O3 MSM探測(cè)器頻率響應(yīng)帶寬

圖5. 基于擴(kuò)散理論的肖特基勢(shì)壘和缺陷增益分析

（3）準(zhǔn)垂直結(jié)構(gòu)Ga2O3肖特基探測(cè)器：高速與高響應(yīng)度

面向國(guó)家高精度探測(cè)需求，研究團(tuán)隊(duì)通過縮短載流子遷移路徑與優(yōu)化電極設(shè)計(jì)，基于Pt低電極外延生長(zhǎng)的準(zhǔn)垂直結(jié)構(gòu)Ga2O3肖特基紫外探測(cè)器，引入光敏區(qū)嵌入金屬條紋設(shè)計(jì)，將響應(yīng)度提升至2998 A/W，響應(yīng)時(shí)間達(dá)120 μs。為機(jī)載探測(cè)、臭氧監(jiān)測(cè)等高精度探測(cè)應(yīng)用提供了全新解決方案。

相關(guān)成果以High-Speed and High-Responsivity Quasi-Vertical Schottky Photodetectors of Epitaxial Ga2O3 on Pt Substrate為題發(fā)表于期刊IEEE Electron Device Letters（2025,46 (1),60-63.

圖6. 準(zhǔn)垂直型Pt/Ga2O3肖特基光電探測(cè)器及核心參數(shù)對(duì)比

上述系列成果推動(dòng)了氧化鎵日盲紫外探測(cè)器向高靈敏、低功耗、小型化方向發(fā)展，在環(huán)境監(jiān)測(cè)、生物醫(yī)療、深空探測(cè)、國(guó)家高技術(shù)應(yīng)用等領(lǐng)域具有重大應(yīng)用價(jià)值和技術(shù)優(yōu)勢(shì)。上述工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、江西省自然科學(xué)基金、南昌重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)項(xiàng)目等支持，同時(shí)得到了中國(guó)科學(xué)院蘇州納米所納米加工平臺(tái)、測(cè)試分析平臺(tái)、納米器件研究部、納米真空互聯(lián)實(shí)驗(yàn)站（Nano-X）等部門大力支持。

（來源：中國(guó)科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所 ）