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【会员论文】通过能带偏移工程实现高灵敏度和快速响应的日盲光探测器
日期：2025-09-04阅读：13
本研究介绍了一种基于Ga₂O₃/AlN/AlGaN:Si异质结构的自供电太阳盲光探测器，通过极化场诱导的能带弯曲，实现了高响应度（0.73 A/W）和快速响应时间（56 μs）。这种高性能光探测器使得256×256分辨率的太阳盲单像素成像成为可能，可用于静态指纹和移动目标的成像。提出的能带偏移工程策略为开发太阳盲光探测器和成像技术开辟了新途径。
背景
太阳盲光探测和成像系统利用最小的背景干扰，广泛应用于军事和民用领域，如安全通信、导弹制导、火焰感应和电晕放电观测。当前的系统主要采用基于硅的电荷耦合器件（CCD）、互补金属氧化物半导体（CMOS）传感器和光电倍增管（PMT）。然而，CCD和CMOS传感器需要额外的滤光片来阻挡可见光和红外光，增加了系统的复杂性和重量。PMT则体积庞大，需要高工作电压。超宽带隙半导体焦平面阵列提供了太阳盲成像的紧凑替代方案，但在集成过程中面临挑战。最近，有研究报道了使用单个超宽带隙半导体光探测器进行太阳盲成像，但逐像素扫描过程对于实时成像来说太慢。相比之下，单像素成像技术利用结构光调制来捕获空间场景细节，仅使用一个光探测器记录调制光强度，具有快速图像捕获的优势，并已在可见光和X射线光谱中得到验证，被认为是有前途的太阳盲成像技术。
主要内容
本研究提出了一种自供电太阳盲光探测器，基于Ga₂O₃/AlN/AlGaN:Si异质结构，其中Ga₂O₃作为光敏层，AlN作为势垒层，AlGaN:Si作为接触层。AlN层内的极化场诱导能带弯曲，形成势阱，限制光生空穴，从而产生光电流增益。因此，Ga₂O₃/AlN/AlGaN:Si太阳盲光探测器实现了0.73 A/W的高响应度和56 μs的快速衰减时间。这种性能使得256×256分辨率的太阳盲单像素成像成为可能，可用于静态指纹和移动目标的成像。提出的能带偏移工程策略为开发太阳盲光探测器和成像技术开辟了新途径。
实验细节概括
实验中，首先通过磁控溅射在c面蓝宝石衬底上制备了N极性的AlN模板，然后通过金属有机化学气相沉积（MOCVD）在N极性AlN模板上生长了AlN和AlGaN:Si层。Ga₂O₃层通过MOCVD在AlN缓冲层上外延生长。
创新点
1.自供电太阳盲光探测器：提出了一种基于Ga₂O₃/AlN/AlGaN:Si异质结构的自供电太阳盲光探测器，无需外部偏置电压。
2.高响应度和快速响应：实现了0.73 A/W的高响应度和56 μs的快速衰减时间，解决了传统太阳盲光探测器响应度和响应速度之间的固有折衷问题。
3.能带偏移工程：通过极化场诱导的能带弯曲，形成了空穴限制的势阱，实现了高响应度和快速响应。
4.单像素成像应用：利用高性能光探测器实现了256×256分辨率的太阳盲单像素成像，可用于静态指纹和移动目标的成像。
结论
本研究展示了一种基于Ga₂O₃/AlN/AlGaN:Si异质结构的自供电太阳盲光探测器，通过极化场诱导的能带弯曲，实现了高响应度和快速响应。这种高性能光探测器使得256×256分辨率的太阳盲单像素成像成为可能，可用于静态指纹和移动目标的成像。提出的能带偏移工程策略为开发下一代高性能太阳盲光探测器和成像技术开辟了新途径。
结果与讨论
https://doi.org/10.1038/s41467-025-63683-w
