【国内论文】湖北大学&郑州大学&湖北九峰山实验室---通过接触工程技术提升指状电极日盲光电探测器的线性动态范围和响应速度

        由湖北大学、郑州大学、湖北九峰山实验室的研究团队在学术期刊 Applied Physics Reviews 发布了一篇名为Enhanced linear dynamic range and response speed in interdigital-electrode solar-blind photodetector by contact engineering（通过接触工程技术提升指状电极日盲光电探测器的线性动态范围和响应速度）的文章。该篇文章被期刊编辑评为科学之光（Scilight）与特色（Featured）文章。

        本研究得到了湖北省重大专项（Grant No. 2023BAA009）、国家自然科学基金（Grant No. 22105162）以及湖北省自然科学基金（Grant No. 2023AFB623）的支持。

        β-氧化镓（β-Ga₂O₃）日盲光电探测器在许多重要领域都有应用，但其性能常常受到两个关键问题的限制。传统的 β-Ga₂O₃ 光电导探测器的响应度通常会随着光照强度的增加而降低。这种非线性行为限制了其线性动态范围，使得探测器难以在宽范围的光强变化下进行精确的光信号量化。由材料中氧空位等缺陷引起的 PPC 效应会导致探测器的响应和恢复速度非常缓慢（可达数秒甚至更长），这严重制约了其在需要快速响应的应用（如紫外通信）中的使用。传统的金属-半导体-金属（MSM）探测器通常采用两个相同的欧姆接触电极。这种对称结构被认为是导致上述两个问题的根源之一，因为它有利于载流子注入，并使得内部电场分布不理想。

        作为一种超宽带隙半导体，氧化镓（Ga₂O₃）在日盲紫外光探测器领域具有巨大的市场潜力。然而，其数百毫秒的缓慢响应时间严重阻碍了 Ga₂O₃ 光探测器的商业化进程。在此，研究团队采用高功函数金属钯（Pd）作为接触材料，设计了一种指状电极结构的日盲紫外 β-Ga₂O₃ 光探测器。原子透射电子显微镜数据表明，Pd-Ga₂O₃ 界面清洁平滑，由 Ga₂O₃ 单晶与局部 Pd 单晶组成，有利于弱化费米能级钉扎效应。低损伤、低缺陷的接触界面提供了优异的光电响应时间（2.4 ms 上升/2.6 ms 下降）和 140 dB 的宽线性动态范围。在 2 英寸 β-Ga₂O₃ 薄膜晶圆上，制备了 12×12 阵列，其中所有 64 个（8×8）器件在测试中均保持一致性能和高可靠性。高性能 Pd-Ga₂O₃ 指状电极日盲光电探测器为紫外通信和成像应用提供了可靠保障。

        ● 提出了一种新颖且有效的接触工程策略，同时解决了 β-Ga₂O₃ 光电探测器中长期存在的线性度差和响应速度慢两大核心问题。

        ● 清晰地揭示了非对称接触设计背后的物理机制，即通过抑制载流子注入来扩大 LDR，并通过增强内建电场来加速载流子输运和复合，从而抑制 PPC 效应。

        ● 在单一器件中实现了毫秒级的快速响应和宽线性动态范围的优异结合，同时保持了高响应度和探测率。

        ● 该方法工艺简单，仅需在标准 MSM 器件制造流程中对电极进行差异化设计，具有很高的实用性和可扩展性。

        日盲紫外光探测器采用基于 β-Ga₂O₃ 单晶薄膜和钯指状电极的超洁净界面。在 255 nm 深紫外光下，Pd-Ga₂O₃ 光探测器的灵敏度为 6.16×10¹⁴ Jones，响应度为 186 A/W，开/关比为10⁵，响应时间为 τ_r =2.4 ms，τ_d =2.6 ms，线性动态范围为 140 dB。该高性能 Pd-Ga₂O₃ 指间电极光电探测器为紫外通信和成像应用提供了可靠保障。

图1. (a) 指状电极 Pd-Ga₂O₃ 光探测器的示意图。 (b) Pd-Ga₂O₃ 器件的能带图。 (c) 钯-镓氧化物界面处的 HAADF 截面图像和 (d) EDS 元素映射图像。(e) HAADF 图像、放大图像及接合区域的晶格模型。 (f) Ga₂O₃ 的 HAADF 图像。 (g) Pd-Ga₂O₃ 界面处的 HRTEM 图像及放大区域。 (h)Ga₂O₃ 与 Pd+Ga₂O₃ 混合区域的 SAED 图案。

图2. (a) Pd-Ga₂O₃ 的 KPFM 映射图像和 (b) 相应的电位差曲线。 (c) Au-Ga₂O₃ 的 KPFM 映射图像和 (d) 相应的电位差曲线。

DOI：

doi.org/10.1063/5.0269272