【会员论文】Small丨中山大学郑伟教授联合富加镓业等团队提出光电双钝化策略实现β-Ga₂O₃日盲紫外探测器纳秒级超快响应

        日盲紫外光电探测器在飞行器尾焰监测、故障预警等领域亟需超快响应性能，传统红外探测易受日光、复杂热源等背景噪声干扰，虚警率高；而臭氧层会吸收200-280 nm波段紫外光，地表几乎无该波段自然光，日盲紫外探测天然具备抗干扰、低虚警优势，是高速光电成像、紫外预警系统的核心器件。

        当前主流β-Ga₂O₃基日盲紫外探测器存在响应速度瓶颈：器件响应同时受RC电路常数、载流漂移、中性区载流扩散、表面缺陷俘获/释放多重过程制约。非耗尽区光生载流依靠浓度梯度缓慢扩散，表面缺陷引发载流反复俘获-脱俘获，形成拖尾光电流，大幅拖慢器件上升、下降时间，无法捕捉瞬变高速光信号，限制高速成像、实时预警场景落地。

        现有单一钝化方案仅能单独抑制扩散电流或表面陷阱，无法同步解决两类慢响应损耗机制；同时多数高性能探测器需外加偏压工作，增加系统功耗与电路复杂度。针对以上痛点，本文提出光子-电子双重钝化（PEDP）一体化器件设计策略，基于垂直肖特基二极管结构实现零偏压超快响应，并完成8×8成像阵列集成验证。

        超快响应是故障预警、飞行器尾焰监测场景中日盲紫外（SBUV）光电探测器（PD）必备特性。本文针对β-Ga₂O₃基日盲紫外光电探测器，提出一种全新光子-电子双重钝化（PEDP）策略，可同时抑制非耗尽区载流扩散与表面俘获-脱俘获动力学过程。经PEDP改性后的器件在0 V偏压下实现5.9 ns超快上升时间与86.8 ns下降时间，响应性能较现有日盲紫外光电探测器高出 2-9 个数量级。该器件在零偏压下同时具备优异综合性能：暗电流0.58 pA，光暗电流比5.04×10⁴，200 nm/350 nm抑制比1.12×10⁴，响应度0.084 A·W⁻¹，外量子效率59.9 %。上述结果验证了PEDP策略用于高速日盲紫外探测的可行性，为高速成像技术发展提供重要研究思路。

        ①首次提出光子-电子双重钝化（PEDP）协同优化策略：电子钝化层非晶SiO₂填充表面缺陷，抑制载流俘获/多次脱俘获；光刻胶光子钝化层阻挡非光敏区紫外入射，从源头消除慢扩散载流，同步解决两类拖慢响应的核心损耗机制。

        ②基于β-Ga₂O₃单晶制备垂直Pt/β-Ga₂O₃/Ti/Au肖特基光电二极管，实现零偏压纳秒级超快响应，上升时间5.9 ns、下降时间86.8 ns，零偏下响应速度较已报道所有日盲紫外器件提升2个数量级以上，为当前零偏β-Ga₂O₃探测器最优响应水平。

        ③器件零偏下综合性能均衡优异：暗电流低至0.58 pA、光暗电流比5.04×10⁴、紫外可见光抑制比1.12×10⁴，兼具低噪声、高光谱选择性；完成8×8共阴极像素阵列集成，像素均匀性良好，验证了该结构面向高速日盲紫外成像芯片的片上集成可行性。

        本文基于β-Ga₂O₃单晶开发一种超快响应日盲紫外光电探测器，采用PEDP策略，以非晶SiO₂作为电子钝化层、光刻胶作为光子钝化层实现响应速度提升。器件在0 V偏压下实现5.9 ns上升时间与86.8 ns下降时间，是目前报道的零偏下最快响应水平。相较于传统无钝化光电探测器，PEDP策略分别将上升、下降时间提升254 %、291 %，性能较此前报道的其他器件高出2-9个数量级，充分证明该策略对提升响应速度的高效性。同时该器件在零偏压下展现优异综合性能：暗电流低至0.58 pA，光暗电流比5.04×10⁴，200 nm/350 nm抑制比1.12×10⁴，峰值响应度与外量子效率分别为0.084 A·W⁻¹、59.9%。在高性能单像素器件基础上，成功集成8×8平面阵列，阵列像素均匀性优异，具备阵列级日盲紫外成像应用潜力。本工作为超快响应日盲紫外探测提供可行技术路线，也可为其他光电探测器的结构设计提供启发。

        本研究得到国家自然科学基金（项目编号：62374186）资助。

DOI：

doi.org/10.1002/smll.74814