由于大气层的强烈吸收，地球表面几乎不存在波长介于200-280nm之间的紫外光，该波段的光称为日盲紫外，针对该波段的检测被称为日盲紫外探测。由于不受太阳光背景的影响，日盲紫外探测具有灵敏度极高、抗干扰能量强等优点。日盲紫外光电探测器在导弹预警、电网电晕检测、火焰探测、臭氧层太阳光紫外线监视等领域具有重要的应用。

图1. 日盲深紫外光电探测器应用及超宽禁带氧化镓材料

氧化镓（Ga₂O₃）是一种新兴宽禁带半导体（禁带宽度为4.9 eV），具有热稳定性好、禁带宽度大、紫外吸收系数大、材料易加工等优点，是日盲紫外探测理想的半导体材料。基于Ga₂O₃的日盲紫外光电探测器已有很多的报道。其中，pn结型光电探测器因其快速响应和自供电特性。pn结型光电探测器的优点与其内部的耗尽区密切相关。然而，目前报道的大多数pn结型光电探测器由于p区或n区的重掺杂导致耗尽区宽度较窄，这无疑限制了光电探测器的性能。

为了解决上述问题，厦门大学张洪良、程其进课题组基于Ga₂O₃研发了一种具有

全耗尽有源区的pin（p-GaN/i-Ga₂O₃/n-Ga₂O₃）异质结自供电日盲紫外光电探测器。该pin异质结光电探测器具有优越的日盲探测能力，在无外部电源供电的情况下器件展示出较高的响应度（72 mA/W）、较高的探测率（3.22 × 10¹² Jones）、高的光暗电流比（1.88 × 10⁴）。器件具有较快的响应速度（上升时间为7 ms，下降时间为19 ms）以及良好的动态响应特性（在248 nm的脉冲激光激发下下降时间为185 μs）；并且器件具有良好的稳定性，经过长时间的开关或者放置之后器件的响应特性几乎没有变化。

图2. 全耗尽有源区的pin（p-GaN/i-Ga₂O₃/n-Ga₂O₃）异质结自供电日盲紫外光电探测器件结构设计和能带结构；器件实现了零偏压下的自驱动和较快的响应速度。

另一方面，作者也通过高分辨X射线光电子能谱对Ga₂O₃/GaN异质结界面的电子结构进行了详细的研究，如带阶、内建电势等，并从电子结构和能带的角度分析了光电探测器中优越器件性能的来源。研究发现，通过对耗尽区宽度的严格调控，使得Ga₂O₃/GaN pin异质结光电探测器中作为主要光吸收区（有源区）的i-Ga₂O₃层完全耗尽，可以显著提升光电探测器的性能，主要原因如下：第一，在大多数的pn结型光电探测器中，由于耗尽区较窄，大部分的光生载流子处于耗尽区之外，并且在扩散过程中容易被复合，只有一小部分光生载流子能进入耗尽区，对光电流产生贡献，导致光电探测器响应度较低，而本文中制备的光电探测器具有较宽的耗尽区可以更有效的分离光生载流子，减少了光生载流子复合的几率，提高了光吸收效率，使得光电探测器的响应度提升；第二，由于本文中制备的光电探测器具有一个全耗尽的有源区，当光照射到光电探测器时，光生载流子可以直接在耗尽区中内建电场的作用下做高速的漂移运动，避免了漫长的扩散过程，从而显著提升了光电探测器的响应速度；第三，低载流子浓度的i-Ga₂O₃层使得光电探测器的暗电流被抑制，提高了光电探测器的探测率。

相关工作以“A Fast Self-Powered Solar-Blind Ultraviolet Photodetector Realized by Ga₂O₃/GaN PIN Heterojunction with a Fully Depleted Active Region”为题发表在国际著名期刊Advanced Optical Materials上，厦门大学硕士研究生陈文澄为论文第一作者，程其进副教授和张洪良教授为通讯作者。本研究工作为开发自供电、快速响应的高性能日盲紫外光电探测器提供了重要基础。

论文信息

A Fast Self-Powered Solar-Blind Ultraviolet Photodetector Realized by Ga₂O₃/GaN PIN Heterojunction with a Fully Depleted Active Region

Wencheng Chen, Xiangyu Xu, Minghang Li, Siliang Kuang, Kelvin H. L. Zhang*, and Qijin Cheng*

Advanced Optical Materials

DOI: 10.1002/adom.202202847

原文链接

https://doi.org/10.1002/adom.202202847

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