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【会员新闻】南京邮电大学氧化镓创新中心(IC-GAO)氧化镓日盲紫外阵列成像器件研究取得新突破

日期：2023-05-30阅读：253

目前，基于宽带隙半导体的紫外光检测技术取得了巨大进展，由于其自然特性和抗外部干扰能力，大规模、高性能光电探测器单元阵列广泛应用于图像传感、环境监测、生物研究和太空探索等领域，促进了现代光电子器件的发展。具有代表性的宽带隙半导体就是氧化镓（Ga₂O₃），其~4.9 eV的直接带隙恰好可用于检测日盲紫外线辐照。

迄今，基于Ga₂O₃的光电探测器阵列尽管具有相当好的光响应性能，但仍然缺少一定数目的单元。唐为华教授团队2018年最早报道了16单元的Ga₂O₃矩形阵列【IEEE Photon. Technol. Lett., 2018, 30, 993】，2021年报道了64单元的Ga₂O₃线性阵列【IEEE Trans. Electron Devices, 2021, 68, 3435】；郑州大学、中科大、合肥工大以及印度学者也相继报道了不同规模的Ga₂O₃阵列探测器与成像应用。但目前设计的阵列仍有许多缺点，如探测器阵列单元数量较少、阵列结构单一、单元面积过大造成晶体利用率低、微机械加工技术较差和图案化生长技术不成熟等。为了获得更好的性能，比如为了获得高分辨率传感图像，就需要在单晶片上集成更多的阵列单元。当下需要解决的基础问题在于薄膜的大面积均匀性和阵列布线的合理设计。

氧化镓阵列探测器发展进程图示

近日，得益于在Ga₂O₃基光电导型、肖特基型以及异质结构的光电探测器件方面的多年积累，南京邮电大学唐为华教授领导的氧化镓创新中心（IC-GAO）成功制备出基于MOCVD生长2英寸β-Ga₂O₃薄膜的8x8和16x16日盲紫外探测器阵列。相较于线性布局，该工作中的16x16方形布局更有利于节省探测器阵列的占用面积，利于集成化应用，且无需复杂的绝缘隔离工艺。可一次性、快速地对较复杂的图像进行记录并通过外部电路读出。该阵列8x10³的紫外/可见光抑制比显示出良好的波长选择性，为精确日盲紫外成像奠定基础。响应度达到了60.7 A W^-1、探测度达到了2.2x10¹⁴ Jones、线性动态区为120.34 dB以及快速的响应时间。

值得注意的是，对256个单元进行电学测试，发现暗电流均在2 pA和4 pA间，最大标准偏差在6%-10%。这些表明了器件良好的均匀性和在紫外图像传感应用领域的潜力。相关成果发表在IEEE Electron Device Letters (doi: 10.1109/LED.2023.3272909)和Science China Technological Sciences (doi: 10.1007/s11431-022-2404-8)上。论文第一作者为研究生沈高辉，通讯作者为唐为华教授和刘增副教授。工作是与郭宇锋教授团队密切合作完成，研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目的资助。

基于2英寸β-Ga₂O₃薄膜的探测器阵列与成像应用

唐为华教授团队专注氧化镓科研攻关十余年，是国内较早开展Ga₂O₃科学研究与产业化实践的先行者，在材料生长(单晶/外延)、晶相/物性调控、表界面/能带工程、金半接触、光电及信息存储器件的结构设计与构筑等方面获得了多项重要的突破和进展，在该研究领域形成了特色鲜明的自主创新体系，并基于在Ga₂O₃外延薄膜与日盲探测器方面的积累以“氧化镓外延薄膜及深紫外传感器件基础研究”为题获得了2020年度北京市自然科学二等奖，被美国空军研究实验室评价为该领域最活跃的研究团队。在美国等西方国家对Ga₂O₃等超宽禁带半导体材料实施出口管制的严峻形势下，团队在β-Ga₂O₃单晶生长与衬底加工技术方面的工作积累为器件研发提供了便利的材料基础。

论文链接：

16×16 Solar-Blind UV Detector Based on β-Ga₂O₃ Sensors, IEEE Electron Device Lett., https://ieeexplore.ieee.org/document/10115448
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
16×4 Linear Solar-Blind UV Photoconductive Detector Array Based on β-Ga₂O₃ Film, IEEE Trans. Electron Devices, https://ieeexplore.ieee.org/document/9443644
Arrays of Solar-Blind Ultraviolet Photodetector Based on β-Ga₂O₃ Epitaxial Thin Films, IEEE Photonics Technol. Lett., https://ieeexplore.ieee.org/document/8337767