【国内论文】北京邮电大学---β-Ga₂O₃薄膜光电探测器的双光子吸收诱导光电流

摘要

        由于其超宽带隙和多样的材料系统，氧化镓（Ga₂O₃）成为尖端半导体研究的有吸引力候选材料。本研究通过飞秒激光脉冲在广泛的入射功率和激光波长范围内，探讨了 β-Ga₂O₃ 薄膜光电探测器中的双光子吸收诱导光电流生成。通过分析光电流随功率的变化，确认了双光子吸收（TPA）在非线性光电流生成中的发生，其中 β-Ga₂O₃ 薄膜光电探测器的光电流对入射功率呈二次依赖关系。TPA 光电流的光谱响应在 200 nm 附近达到峰值，相较于单光子响应，出现了 50 nm 的蓝移。该差异源自两者不同的选择规则。大幅蓝移至紫外（UV）光谱区的特点，有利于在紫外区域测量超快激光脉冲的脉冲持续时间。随后，初步基于 β-Ga₂O₃ 薄膜光电探测器的 TPA 光电流在 400 nm 处进行了自相关测量。该方法显示出在 370 至 440 nm 的紫外区域开发自相关仪器来测量超快激光脉冲的潜力，正如 TPA 光电流光谱所示。

图 1. TPA 光电流测量实验示意图。NDF：中性密度滤光片；HWP：半波板。(b). 在两个典型的输入波长 400 nm（黑方块）和 440 nm（红点）下测量到的 β-Ga₂O₃ 薄膜光电探测器的 TPA 光电流响应与输入激光功率的函数关系。(c). β-Ga₂O₃ 薄膜的单光子电流响应（黑色曲线）和紫外可见吸收光谱（红色曲线）。(c) 中的插图显示了放大的单光子电流响应（黑色曲线）和 300-600 nm波段的紫外可见吸收光谱。(d). 在波长为 400 nm、偏压为 10 V 时，β-Ga₂O₃ 薄膜光电探测器测得的 TPA 光电流与输入激光偏振的函数关系。

图 2. 输入功率为 1.5 mW、波长为 380、390、400、420 和 440 nm 的光束时，β-Ga₂O₃ 薄膜光电探测器的双光子电流与 10 V 偏置电压的关系。