【国际论文】基于外延氧化镓薄膜的各向异性域导电性自供电紫外线C成像技术

        载流子传导的高效率对基于异质外延β相氧化镓（β-Ga₂O₃）薄膜的紫外线C（UVC）光电探测器（PD）的光电性能至关重要。然而，由于各向异性对称性导致的平面内旋转域的存在，严重降低了传统侧向光电探测器（LPD）中载流子传导效率，这是由于载流子被困并发生复合。在此提出一种通过使用孔图案蓝宝石纳米膜（HPSN）生长模板进行外延层转移的方法，实现了垂直导电配置的同时，保持了外延 Si 掺杂 β-Ga₂O₃（Si:Ga₂O₃）的高晶体质量。基于转移后 Si:Ga₂O₃ 膜的域取向和光响应特性表征，揭示了由垂直域间和侧向域内传导引起的缺陷相关各向异性传导。与 LPD 中的间接域内传导路径相比，垂直 PD（VPD）通过直接域间传导路径实现了高效率的载流子传导。因此，自供电VPD展现出高整流特性，检测灵敏度达1.02 × 10¹³ Jones，响应时间仅为 93 ms。此外，多像素紫外线成像 PD 阵列已成功实现无需外部偏压驱动，展现出高识别率和可靠的紫外线成像应用实用性。本工作不仅证明了在广泛的材料体系中获得单晶外延膜的可行性，还为克服缺陷诱导光电系统中的材料限制提供了途径。

        该团队成功制备了用于多像素自供电 UVC 光电二极管阵列的外延 Si:Ga₂O₃ 薄膜。这些外延 Si:Ga₂O₃ 薄膜是通过使用 HPSN 生长模板进行外延层转移制备的，该模板具有超薄的 100 nm 厚衬底。基于外延 Si:Ga₂O₃ 薄膜中与缺陷相关的各向异性导电性，研究展示了 VPD，其在 0 V 偏压下具有 72.38 mA/W 的高灵敏度和 93 ms 的快速响应时间，这归因于垂直域间导电性实现高效载流子传输，以及光导纳米尺度路径抑制域界限处载流子的复合。此外，多像素 UVC 成像光电二极管阵列成功用于光成像应用，无需外部电源供电。本研究提出了一种实现高质量外延 Si:Ga₂O₃ 薄膜的创新策略，通过调控导电路径，为 Ga₂O₃ 异质集成光电子技术开辟了新途径。

图1. 基于外延 Si:Ga₂O₃ 薄膜的 5×5 自供电 UVC 成像光电二极管阵列。 (a) 通过外延层转移技术调节导电路径，克服导致横向域内导电的平面旋转域，该域内导电效率较低。(b) UVC 成像光电二极管阵列的制备流程示意图。通过 HPSN 生长模板转移外延 Si:Ga₂O₃ 薄膜，制备垂直结构光电二极管。 (c) 5×5 像素化 UVC 光电二极管阵列的结构示意图。 (d) 多像素 UVC 光电二极管阵列的光学显微镜图像及器件中光电二极管的放大图像

图2. 5×5 自供电 UVC 成像光电二极管阵列的性能。 (a) 采用紫外光模板投影技术检测光电二极管阵列图像的 UVC 成像测量概念示意图。将 5×5 自供电 UVC 成像光电二极管阵列置于图案化聚酰亚胺阴影掩模后方，并在 UVC 光照射下测量其电学性能。(b) 光学显微镜照片显示带有 SNU 形状图案的聚酰亚胺阴影掩模的像素排列。放大后的 5×5 光电二极管阵列图像，带有聚酰亚胺阴影掩模的 N 形状图案。(c) 在 V_read = 0 V下，5×5 自供电 PD 阵列在暗光和 UVC 光照射下的 I_photo 响应映射，显示出均匀的光电响应。 (d) 由 UVC 光照射获得的 I_photo/I_dark 的统计分布。 (e) 从自供电 UVC PD 阵列的图像检测中提取的 I_photo 响应映射结果。

DOI：

doi.org/10.1021/acsnano.5c01454