【会员论文】中科大龙世兵教授、赵晓龙教授等团队：基于富晶界多晶 Ga₂O₃ 薄膜的具有极端温度耐受性的深紫外光电探测器

        由中国科学技术大学龙世兵教授、赵晓龙教授、高南研究员、侯小虎副研究员联合西湖大学孔玮研究员、山东大学穆文祥教授、贾志泰教授、香港大学的研究团队在学术期刊 Newton 发表了一篇名为 Deep ultraviolet photodetectors with extreme temperature tolerance based on grain-boundary-rich polycrystalline Ga₂O₃ films（基于富晶界多晶 Ga₂O₃ 薄膜的具有极端温度耐受性的深紫外光电探测器）的研究论文。

        深紫外（DUV）光电探测技术在火焰检测、烟羽追踪和深空探测等应用中具有重要价值，但此类场景通常伴随极端高低温环境，传统探测系统往往依赖庞大且复杂的冷却系统或热防护结构。氧化镓（Ga₂O₃）作为一种超宽禁带半导体，因其对深紫外光具有极高的光谱选择性，且化学与热稳定性优异，被视为开发耐极端温度的深紫外光电探测器的理想材料。然而，目前基于氧化镓薄膜不同微观结构特性的器件设计，以及其在极端温度下的性能演变规律及其内部物理机制仍缺乏清晰认识，导致在宽温度范围内难以同时满足低暗电流、高增益与高稳定性的性能需求。

        深紫外（DUV）光电探测技术广泛应用于燃烧监测、羽流追踪、深空探测以及其他需要探测器同时应对高温和低温的严苛应用场景。相关环境要求传感器需在没有庞大的冷却系统或热屏蔽结构的情况下，仍能保持灵敏度和选择性。氧化镓（Ga₂O₃）是一种宽带隙半导体材料，对深紫外光具有固有的光谱选择性，且具有优异的化学稳定性和热稳定性，使其有望用于极端温度环境。然而，氧化镓可呈现多种结构形态，且氧化镓深紫外光电探测器可采用多种器件架构。目前，关于最适合极端温度探测的材料微观结构和器件设计尚缺乏明确指导。此外，器件性能随温度变化的规律以及主导机制尚不完全清楚。在本研究中，该团队采用高增益的光电导型器件结构，并比较了基于在晶格匹配的氧化镓衬底和蓝宝石异质衬底上生长的氧化镓薄膜的器件。生长在蓝宝石上的薄膜为多晶薄膜，富含晶界和氧相关缺陷。尽管这种无序性通常被视为有害的，但晶界势垒在暗态下抑制了电荷传输，而缺陷态则延长了光生载流子的有效寿命，并带来显著的光电导增益。富含晶界的多晶氧化镓光电探测器在 80 至 680 K 的温度范围内稳定工作。在室温下，当施加 30 V 偏压时，其响应率为 568 A/W，光暗电流比为 4.10×10⁶。同时，对多晶氧化镓薄膜进行原位变温表征，有助于通过光吸收、载流子捕获和复合的变化来揭示器件性能演变。本研究可推动面向极端温度环境的高稳定性的深紫外光电探测器的应用。

        ①超宽温度运行范围（80-680 K）：基于富晶界多晶 Ga₂O₃ 薄膜制备的光电探测器，成功实现了从 80 K 极低温到 680 K 极高温范围内的稳定深紫外光探测。

        ②室温下出色的性能指标：在室温、30 V 偏压下，器件响应度高达 568 A/W，光暗电流比（PDCR）达到 4.10×10⁶，比同质外延单晶器件提升了超 4 个数量级。

        ③晶界与缺陷协同调控机制：揭示了多晶薄膜中丰富的晶界势垒在暗态下能有效限制载流子输运并抑制暗电流；而在光照下，氧空位等缺陷态能够延长光生载流子寿命，从而维持极高的光电导增益。

        ④高温像素阵列成像验证：成功制备出 8×8 的光电探测器阵列，在 630 K 的极端高温下展现出优异的响应均匀性与清晰的深紫外成像能力。

        ⑤原位变温物理机制解析：通过原位变温透射光谱与光致发光（PL）光谱，阐明了温度调控下的带隙窄化、缺陷俘获与复合动力学对器件响应特性的演变影响。

        基于异质衬底生长的富晶界β-Ga₂O₃ 薄膜的 DUV 光电探测器和成像传感器阵列在宽温度范围内表现出卓越的光响应性能，与已报道的各种 DUV 光电探测器相比具有明显的优势，有望在极端场景中实现可靠的探测应用。氧化镓薄膜的变温表征揭示了光响应受温度诱导的演化机制，凸显了微观结构和缺陷态对器件性能的关键影响。总体而言，本研究通过定制材料工程，为开发基于宽禁带半导体的小型化、热稳定的 DUV 光电探测器系统提供了一种可推广策略。

        本工作得到了中国国家重点研发计划（项目编号：2023YFB3610200和2024YFA1208800）、中国国家自然科学基金（项目编号：62304215和62171426）、安徽省自然科学基金（项目编号：2508085MF145）以及中国科学技术大学资助（项目编号：WK2100000056）的支持。本工作部分在中国科学技术大学微纳研究与制造中心进行。