会员新闻

【会员新闻】南京邮电大学唐为华教授研究团队对于多像素氧化镓紫外探测器阵列及其光电应用研究

日期：2023-11-10阅读：221

目前，基于宽带隙半导体的紫外光检测技术取得了显著的进展。光电探测器在紫外光子检测领域发挥着关键作用，涵盖图像传感、光纤通信、导弹预警、火灾监测、环境监测、健康、生物研究等多个领域。特别值得一提的是，光电探测器阵列已成为实现紫外成像和通信系统的重要一环。这些半导体材料因其独特的自然属性和抗外部干扰能力而备受青睐，因此大规模、高性能的光电探测器单元阵列已广泛用于图像传感、环境监测、生物研究和太空探索等领域。这些技术的进步推动了现代光电子器件的创新。其中，氧化镓（Ga₂O₃）是一种代表性的超宽带隙半导体，其直接带隙为约4.9 eV，光响应范围覆盖了整个日盲紫外光区间，因此非常适用于日盲紫外辐照的检测。随着深紫外（DUV）通信和光电探测技术的不断发展，这一领域的研究已经成为科学界的一个重要关注点。为了更准确地进行信息采集和传输，多像素的光电探测器阵列成为紫外成像和通信系统的关键组成部分，其光电性能严重依赖于半导体材料和阵列布局。因此，本文着重关注Ga₂O₃半导体探测器阵列，从单个器件到阵列及其光电集成的角度，回顾和讨论了近年来对Ga₂O₃探测器阵列的设计、制备以及相关应用方面的研究进展。具体内容包括阵列单元的结构设计和材料选择、单元的生长以及阵列的布局、对日盲深紫外光的响应、成像和图像识别方法。此外，本文还分析和探讨了光电探测器阵列未来的发展趋势，旨在为优化阵列结构、改进图案生长技术和材料生长质量提供一些建议。此外，从器件物理学和光物理学的角度讨论了Ga₂O₃光电子器件及其应用。第一作者为研究生舒林聪，通讯作者为唐为华教授和刘增副教授，发表在《Nanotechnology》上，文章doi: 10.1088/1361-6528/ad079f。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。

图1 氧化镓阵列探测器发展进程及其应用图示

多像素Ga₂O₃紫外光探测器阵列的制备主要包括薄膜加工和图案化技术。具体来说，薄膜加工涉及不同类型的化学气相沉积（CVD）、物理气相沉积（PVD）和金属有机气相沉积（VPE）等，而图案化技术包括光刻、蚀刻、电极沉积、封装等。而光刻技术是一种常用的微电子制造技术，用于在微纳米尺度上制造结构和器件。它也适用于制备阵列结构。光刻技术具有高分辨率、精确对准和高生产效率等优势。该过程涉及使用光源照射光敏感抗蚀剂材料，并使用掩模上的图案在抗蚀剂中引发光化学反应，从而将所需的图案转移到基板上。

然而，关于Ga₂O₃光电探测器阵列成像的研究仍然不够深入，阵列单元数量和形状对成像质量的影响机制仍然不明确。此外，许多关于优化阵列性能和制备工艺的问题仍有待解决。首当其冲的困难就是光电探测器阵列单元的均匀性和可重复性。目前，图案化生长方式可能是最佳解决方案之一，此方法可以通过优化制备流程和制备工艺来提高阵列性能。如果进一步优化关键性能参数，如暗电流、响应速度和探测度，那么可以实现实时动态成像和复杂图像的精确识别，丰富成像应用的深度。紧接着是电极材料的选择以及光电探测器单元的连接和布线布局。电极材料的选择显著影响器件性能，同时还需要解决阵列单元间的布局布线和隔离问题。其三就是光电探测器阵列应用的拓展。紫外光子检测和成像的光电领域的研究和应用正在不断涌现，光电探测器阵列应用于人工智能神经网络图像识别中也具有巨大的应用潜力。随着器件性能的不断提升和光电探测器阵列识别模式的不断改进，相关的生物特征识别，如人脸识别和指纹识别，可能会逐步实现，并且阵列在紫外通信中的应用可行性已得到确认。因此，有必要拓宽我们的“眼界”，以扩展Ga₂O₃光电探测器阵列的应用领域。此外，纳米尺度结构具有独特的特性，如一维天然结构、优异的光捕获、表面载流子复合以及更大的表面积体积比，使它们成为传感器和光电探测器研究的理想结构之一。因此，研究人员已经研发了从纳米棒阵列中获得高性能的单个器件，因而，研究人员可以将高性能的纳米棒或微球器件用作新的阵列单元，从而可能提高阵列性能。然而，不均匀和不可控的纳米尺度结构生长仍然是纳米尺度结构性能差的主要原因。因此，图案生长仍然是目前可行的最佳解决方案之一，需要进一步研究和讨论图案生长的方法。

本文从阵列单元结构和材料选择、单元生长和阵列形成方法、阵列单元对日盲紫外光的响应、阵列应用以及在人工智能和紫外通信方面的未来发展趋势和应用等方面回顾和讨论了近年来关于Ga₂O₃光电探测器阵列的最新研究进展，然而，面对商业应用对高性能和低成本的严格要求，大多数报道的Ga₂O₃光电探测器阵列仍然存在许多不足之处，例如对阵列结构设计、制备技术和改进关键性能参数的有效方法的深入研究不足，特别是对阵列的图案生长方法的研究。此外，本文还在光电探测器阵列的制备过程和光学应用方面提出了相应的研究方向或建议，如成像、紫外通信等。作为传感器的重要组成部分，光电探测器阵列需要在恶劣环境中保持良好性能。然而，目前还没有关于在高温高湿、强光、激光辐射和电磁干扰等恶劣环境中性能差异或改进阵列性能的有效方法的研究。此外，阵列的应用领域也急需拓展，这需要研究人员的关注和光电探测器阵列应用的不断改进和发展。

本文由南京邮电大学唐为华教授团队提供。