【国内论文】氧化镓功率器件和DUV光电器件合集（3）

07 等离子辅助增强的高性能TiO₂@GaOxNy-Ag异质结光电探测器

        氧化镓（Ga₂O₃）材料因其超宽的光学带隙、高的击穿场强、高的巴利加优值和优异的化学和热稳定性等优良特性为光电探测领域提供了独特的科研视角和广阔的应用前景。但是，其本征深紫外吸收边和制备方法带来材料本身的缺陷与杂质，都影响着光电过程中载流子的产生、分离和转移，这使得光电探测性能还不够理想，严重阻碍了其光电器件的实际应用。

        近日，复旦大学卢红亮教授和刘文军研究员团队报道了TiO₂@GaOxNy-Ag高性能紫外-可见光金属-半导体-金属（MSM）型光电探测器。该团队基于原子层沉积实现了Ga₂O₃纳米薄膜可控的N掺杂及界面修正，并结合一维TiO₂纳米阵列的优势及Ag贵金属表面等离子激元共振效应（SPR）设计了TiO₂@GaOxNy-Ag新型异质结，重点研究了TiO₂@GaOxNy-Ag异质结构与光电探测性能之间的构效关系。结果表明，TiO₂@GaOxNy-Ag探测器在580 nm的响应率是380 nm处的4倍，同时在探测率及响应时间等核心性能指标上均优于单一结构的TiO₂及Ga₂O₃探测器。该异质结优异的光电探测性能主要源于TiO₂@GaOxNy的II型能带结构和Ag颗粒SPR效应的协同作用。这不仅增加了光的吸收率，还促进了光生载流子有效的分离，同时一维核壳异质结纳米线阵列为光电过程提供大的接触面积，也为光生载流子的传输与分离提供直接的路径。此外，实验结果也得到了FDTD模拟和计算的有力支撑。

        基于TiO₂@GaOxNy-Ag异质结的MSM探测器为高性能光电转换器件的设计提供了独特的路径，将助力Ga₂O₃基器件在传感探测及成像显示等领域的应用。

        该文章以题为“Surface plasmon assisted high-performance photodetectors based on hybrid TiO₂@GaOxNy-Agheterostructure”发表在Journal of Semiconductors上。

图1. TiO₂@GaOxNy-Ag器件：（a）结构示意图、（b）光显图；（c）Ga₂O₃基不同结构器件的I-V曲线。TiO₂@GaOxNy-Ag器件不同波长下的（d）I-V曲线、（e）I-T总曲线、单个周期内的I-T曲线：（f）380 nm、（g）480 nm、（h）580 nm；（i）不同器件的光响应率比较。

08 基于PEDOT: PSS/Ga₂O₃ 异质结的自供电、自修复日盲紫外探测器

        近年来，日盲紫外探测器因其背景干扰弱、错误预警率低，有望应用于生物、医学和民用等领域。宽带隙半导体材料被认为是制备日盲紫外探测器的热门选择。氧化镓（Ga₂O₃）具有带隙宽（4.9 eV）、吸收系数大等特点，其截止波长约为250 nm，是一种非常有前途的日盲紫外探测器材料。目前已报道的Ga₂O₃基紫外光电探测器通常都制备在硬性衬底上，不具有机械柔韧性，这极大地限制了Ga₂O₃日盲紫外探测器在透明、可穿戴和可折叠等新兴电子领域中的应用。自修复的设备可以在发生意外破坏时自动恢复，从而可以有效地延长设备的使用寿命。因此，它们具有更强的耐用性和更低的更换成本。

        近日，浙江理工大学郭道友特聘教授课题组通过在可自修复的水凝胶衬底上构建PEDOT: PSS/Ga₂O₃异质结，构建了一个自供电、自修复的光电探测器。该装置使用琼脂糖/聚乙烯醇（PVA）双网络（DN）水凝胶衬底，这种水凝胶具有可逆的特性，当断裂的水凝胶接触时，氢键能够迅速重新形成。在约30秒钟的时间内，水凝胶的切口可以完全愈合，使光电探测器能够在损坏后恢复其原始的结构和功能。该光电探测器光吸收层由PEDOT: PSS/Ga₂O₃异质结构成。由于PEDOT: PSS和Ga₂O₃之间的费米能级差异，电子会从PEDOT: PSS流向Ga₂O₃，直到达到热平衡。在两种材料的界面形成一个耗尽区域，能够有效地抑制暗电流，从而提高设备的探测能力。在光照下，Ga₂O₃层中的光生电子将在内建电场的作用下流向银纳米线（Ag NW）电极。同时，光生空穴将被吸引并通过PEDOT: PSS层到达电极。因此，即使在没有外加电压的情况下，该光电探测器也对254 nm的日盲紫外光展现出了0.24 mA/W的光响应度。

        本文展示了可作为电子皮肤应用的可穿戴式日盲紫外光电探测器。成功赋予了该设备自供电、出色的机械强度和出色的自我修复能力，在下一代智能设备的应用中有巨大潜力。

        该文章以题为“Self-healing wearable self-powered deep ultraviolet photodetectors based on Ga₂O₃”发表在Journal of Semiconductors上。

图1. (a) 琼脂糖/聚乙烯醇水凝胶的自愈过程。(b) 琼脂糖/聚乙烯醇水凝胶的自愈机制。(c) 在-80℃条件下，添加或不添加LiCl水凝胶样品的抗冻性能。(d) LiCl提高在琼脂糖/聚乙烯醇水凝胶锁水能力机制。

09 非晶氧化镓同质结基的光电子突触用于多功能信号处理

        在大数据时代，用于准确识别和信息处理的智能算法的优化和更新正在迅速发展。然而，硬件设备发展的滞后性导致了复杂任务处理过程中功耗和速度提高的瓶颈。其主要原因是摩尔定律的逐渐失效和传统冯诺依曼计算范式的阻碍。目前，感知-记忆集成的计算策略作为一种有效解决方案似乎能够打破上述障碍。受人脑的启发，对突触这一基本单元的模拟为实现上述解决方案提供了可能性。目前，一些优秀的工作集中在由电、光以及其他信号调控的人工突触的实现上。然而，不管是单一的电信号还是单波长的光信号，都极大地限制了光电器件的并行处理能力以及未来的智能应用场景。因此，扩展可调谐信号的种类和操作范围，从而拓宽突触装置处理多种类型任务能力的需求迫在眉睫。

        近日，北京理工大学沈国振教授课题组与山东大学李阳教授课题组合作提出了一种由Al/Ga₂O₃（OR）/Ga₂O₃（OD）/ITO组成的多功能光电突触（MFOS）器件。在此项工作中，组成器件的主要功能双层是在不同的实验条件下由相同的材料溅射而成，这无疑大大简化了器件制备的复杂性。与此同时，双层薄膜中被引入了一定量的缺陷，并且在同质结中形成的能带差以及持续的光电导效应的作用下，电信号和光信号能够分别诱导MFOS表现出丰富的电突触和光突触行为。进一步地，鉴于人工突触器件对单波长（254 nm）光信号频率良好的敏感性，光突触模式下的高通滤波和小规模视觉阵列两个功能被成功开发。不仅如此，得益于双层同质材料光吸收范围的差异，MFOS允许同时响应多种波长的信号。这种多波长光信号的调制方式赋予了突触器件经验学习的能力，并且翻转读取电压后的逻辑门功能也被成功拓展。

        综上所述，本工作实验性地证明了一种多功能集成的一体化光电子突触，此器件在提高未来神经形态计算效率的同时将有望拓宽未来人工智能的应用场景。

        该文章以题为“Amorphous gallium oxide homojunction-based optoelectronic synapse for multi-functional signal processing”发表在Journal of Semiconductors上。

图1. 器件设计与相关突触性能。（a）MFOS器件的结构示意图。（b）截面SEM图像。（c）Ga₂O₃（OD）和Ga₂O₃（OR）的载流子分布的能带示意图。（d） 生物突触传递神经信号的示意图。（e）负电压和（f）正电压下的连续扫描曲线结果图。（g） MFOS器件在光信号下的示意图。器件在（h）365 nm和（i）254 nm的光信号下的不同光突触响应行为。

doi: 10.1088/1674-4926/44/7/074101