【会员论文】南京邮电大学——利用高效性能 β-Ga₂O₃ 光电探测器对紫外通信系统

摘要

        近年来，基于 β-Ga₂O₃ 的日盲紫外光电探测器（PD）由于其在军事和商业领域的应用而受到广泛关注。本研究探讨了 Ga₂O₃ 薄膜在不同生长温度和退火温度下通过射频磁控溅射生长在蓝宝石衬底上的晶粒取向和晶体质量。在确定最佳温度后，我们研究了具有不同氧气流量比（0%、5%、10%）的金属/半导体/金属探测器的光电性能。在纯氩气氛下生长的 PD 表现出最高的响应度（48.93 A/W）、出色的探测率（1.35 × 10¹⁴ Jones）、出色的外部量子效率（2.39 × 10⁴ %）以及在 1000 μW/cm² 254 nm 光照下快速的光响应时间（0.118 秒上升时间/0.031 秒衰减时间）。这些结果归因于来自优化浓度的氧空位的内部增益，而这些氧空位通常在富氧条件下不会引起深能级缺陷。利用这种优化的芯片，我们开发了一种基于 Ga₂O₃ 的深紫外通信系统。该系统使用开/关键控的伪随机二进制序列信号实现了 65 kbps 的数据速率。此外，使用以 32-正交振幅调制调制的离散多音信号，它达到了 80.65 kbps 的最大数据速率，两者均满足 3.8 × 10⁻³ 的前向纠错阈值。这些结果凸显了高质量 Ga₂O₃ 日盲 PD 在紫外线通信应用中的巨大潜力。

图 1. 分别在不同（a）生长温度、（b）退火后温度和（c）氧流比下沉积在蓝宝石上的 Ga₂O₃ 薄膜的 XRD 图；以及在不同氧流比下沉积的 β-Ga₂O₃ 薄膜的（d）全谱扫描、（e）O 1s 和（f）Ga 2p 核电平的 XPS 光谱。

图 2. (a)-(c) 在不同氧流比下生长的 β-Ga₂O₃ 光电探测器在不同强度的 254 nm光照下的 I-V 特性。(d)-(f) 254 nm紫外光照射下三种光致发光器件随时间变化的光响应。(g)-(i) 254 nm 的光照强度为 1000 μW/cm² 时，PD 的上升/衰减边缘放大图及相应的指数拟合图。(j)-(l) 10 V 偏压下三种光致发光器件的响应度、检测度和 EQE 与光强度的函数关系。

DOI：

doi.org/10.1063/5.0227397