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【会员新闻】苏州纳米所加工平台联合纳米器件研究部在日盲紫外探测领域取得新进展
日期：2025-03-25阅读：168
日盲紫外探测技术因高信噪比、低误警率的特性，已成为天体物理观测、高压电力监测、森林防火、国家高技术应用等领域关键技术。传统硅基探测器受限于材料特性，需通过复杂滤光系统实现日盲波段识别，导致设备笨重、成本高昂且抗辐射能力不足。超宽禁带半导体氧化镓（Ga2O3）带隙 ~4.9 eV，是天然的日盲紫外波段（200-280 nm）探测材料，其 254 nm光谱截止特性可在无需外置滤光装置条件下实现超高信噪比探测。此外，近年来 Ga2O3 单晶可通过熔体法等成熟工艺制备大尺寸衬底，使其兼具低成本量产潜力与卓越的抗辐照性能，为构建轻量化、高性能、大面阵日盲紫外探测器集成芯片提供了坚实的基础。
中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所纳米加工平台联合纳米器件研究部相关团队，凭借氧化镓探测器阵列优化与智能电路设计的协同创新，在日盲紫外探测领域取得重要突破。
动态紫外成像系统：Ga2O3 阵列实现 3 米日盲紫外目标实时追踪
研究团队基于金属有机化学气相沉积（MOCVD）外延生长技术通过优化三乙基镓（TEGa）流量抑制 Ga2O3 外延薄膜中深能级缺陷氧空位，将 Ga2O3 日盲紫外探测器的噪声电流降低至 1.01 pA，响应速度提升至 1.6 ms，灵敏度达到 3.72 A/W。在电路设计方面，器件部宋贺伦团队构建了“四位一体”信号处理体系——采用低导通电阻开关阵列实现像素精准选通，跨阻放大电路完成 nA 级微弱信号放大，高有效位数 ADC 低噪声信号采集，结合 FPGA 芯片的高速并行处理，形成完整的成像电路解决方案。基于此开发的 8×8 像素阵列成像系统，可在自然光环境下识别 3 米外 2.6 μW/cm2 的微弱紫外信号，并实时捕捉运动点光源轨迹（如飞行器尾焰模拟）。为国家高技术领域、民用火灾监测等场景提供了小型化、高可靠性的日盲紫外成像技术新范式。
该成果以 Ultrasensitive dynamic ultraviolet imaging based on Ga2O3 photodetector array 为题发表在光学领域国际著名期刊 Optics Letters（2025,50(5),pp. 1633-1636. https://doi.org/10.1364/OL.555862），第一作者为中国科学技术大学博士生陈体威，通讯作者为张宝顺和宋贺伦。
图1. UV动态成像测试方案示意图及上位机软件显示窗口
图2. 紫外成像系统原型的示意图和紫外成像系统的显示效果
近年来，纳米加工平台围绕超宽禁带半导体材料与器件抢占“芯”一轮材料技术制高点的国家战略需求，为超宽禁带半导体氧化镓（Ga2O3）薄膜外延与器件工艺等发展提供技术支撑，攻克氧化镓日盲紫外探测器的灵敏度、速度与集成化等难题，近期取得了一系列新突破：
低功耗探测器突破：GaON 介质层实现响应度 20 倍跃升
针对自驱动探测器灵敏度低的瓶颈，研究团队通过 MOCVD 技术在 p-GaN 基底上生长多晶相 Ga2O3 薄膜，并创新引入原位 GaON 介质层，显著提升光生载流子分离效率。该器件在零偏压下实现 3.8 A/W 超高响应度（254 nm光照），暗电流低至 3.08 pA，探测率达 1.12×1014 Jones，响应速度达 66/36 ms，无需外接电源即可工作。该成果为深空探测、野外监测等无源场景提供了小型化解决方案。
该成果以 High-Photoresponsivity Self-Powered a ,ε ,and β Ga2O3/p-GaN Heterojunction UV Photodetectors with an In Situ GaON Layer by MOCVD 为题发表于期刊 ACS Applied Materials & Interfaces 上（2022,14,(30),35194-35204. https://doi.org/10.1021/acsami.2c06927）。第一作者为中国科学技术大学博士生马永健，通讯作者为张晓东和付厚强。
图3. 原位 GaON 介质层强化光电流示意图和器件 254 nm 光照 I-V 特性曲线
高速高频探测器：纳米种子层抑制缺陷，带宽突破2 kHz
为提升器件响应速度，团队在 4 inch 蓝宝石（Sapphire）衬底 MOCVD 外延生长时，提出并设计了单晶 Ga2O3 纳米颗粒种子层（NPSL），将薄膜生长模式从岛状生长优化为横向合并，有效抑制氧空位等深能级缺陷。制备的金属-半导体-金属（MSM）结构探测器暗电流仅 81.03 pA ，响应速度达 62/142 μs，频率带宽 2 kHz，探测率 2.81×1014 Jones，线性动态范围 61 dB，可满足高速通信与瞬态信号捕捉需求。
相关论文以 High-Speed and Ultrasensitive Solar-Blind Ultraviolet Photodetectors Based on In Situ Grown β‑Ga2O3 Single-Crystal Films 为题发表于期刊 ACS Applied Materials & Interfaces（2024,16(5),6068-6077. https://doi.org/10.1021/acsami.3c15561），第一作者为中国科学技术大学博士生陈体威，通讯作者为张宝顺和李绍娟。
图4. （a）4 inch Sapphrie 衬底 Ga2O3 外延片，（b）Ga2O3 MSM 探测器频率响应带宽
图5. 基于扩散理论的肖特基势垒和缺陷增益分析
准垂直结构 Ga2O3 肖特基探测器：高速与高响应度
面向国家高精度探测需求，研究团队通过缩短载流子迁移路径与优化电极设计，基于 Pt 低电极外延生长的准垂直结构 Ga2O3 肖特基紫外探测器，引入光敏区嵌入金属条纹设计，将响应度提升至 2998 A/W，响应时间达 120 μs。为机载探测、臭氧监测等高精度探测应用提供了全新解决方案。
相关成果以 High-Speed and High-Responsivity Quasi-Vertical Schottky Photodetectors of Epitaxial Ga2O3 on Pt Substrate 为题发表于期刊 IEEE Electron Device Letters（2025,46 (1),60-63. https://doi.org/10.1109/LED.2024.3496557），第一作者为中国科学技术大学硕士生张寰宇，通讯作者为张晓东和曾春红。
图6. 准垂直型 Pt/Ga2O3 肖特基光电探测器及核心参数对比
上述系列成果推动了氧化镓日盲紫外探测器向高灵敏、低功耗、小型化方向发展，在环境监测、生物医疗、深空探测、国家高技术应用等领域具有重大应用价值和技术优势。上述工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、江西省自然科学基金、南昌重点实验室建设项目等支持，同时得到了中国科学院苏州纳米所纳米加工平台、测试分析平台、纳米器件研究部、纳米真空互联实验站（Nano-X）等部门大力支持。
