【国内论文】郑州大学：激光刻写GaN/Ga₂O₃异质结光探测器阵列

        由郑州大学的研究团队在学术期刊 Advanced Materials Interfaces 发布了一篇名为 Laser Writing of GaN / Ga₂O₃ Heterojunction Photodetector Arrays（激光刻写 GaN/Ga₂O₃ 异质结光探测器阵列）的文章。

        本研究得到中国科学院等离子体物理研究所科学技术基金（grant no. JCKYS2021212010），河南省自然科学基金（grant no. 222300420530），国家自然科学基金（grant no. 11804335）以及河南省科技重大专项（grant no. 221100230300）资助。

        光电探测器，即能够将光信号转换为电信号的器件，是光电子系统中的关键组件。目前，光电探测器已发展到能够检测红外（IR）、可见光和紫外（UV）波段的光。紫外检测因其在人类健康、环境监测和安全等领域的广泛应用而备受关注。例如，可以模拟人体内维生素 D 的合成并消灭细菌。然而，紫外线辐射的暴露也可能导致白内障、皮肤癌和加速衰老等严重健康问题。因此，能够检测紫外线辐射（提供紫外线辐射暴露信息）的能力，对于人类健康、环境以及各种工业、科学和安全应用至关重要。目前，硅是紫外线检测中最广泛使用的材料。然而，由于其带隙较小，基于硅的紫外线光电探测器通常需要使用昂贵的滤光片来阻挡可见光和红外光。解决这一问题的潜在方案是开发基于宽带隙半导体的光探测器，如 AlGaN、MgZnO、SiC、金刚石或 Ga₂O₃，这些材料仅吸收紫外线辐射。其中，Ga₂O₃ 因其宽带隙、高化学稳定性和热稳定性，以及易于制备的特点，成为紫外线检测的极具前景的选择。

        光探测器在将光信号转换为电信号方面发挥着关键作用，并在通信、成像和传感等多个领域具有重要应用。然而，光探测器的制备是一个复杂的过程，涉及对表面处理、光刻和沉积技术的精确控制。本研究表明，可以通过激光加工将 GaN 表面转化为 Ga₂O₃，从而制备 GaN/Ga₂O₃ 异质结。GaN/Ga₂O₃ 异质结展现出良好的重复性、均匀性及零偏压工作能力，其响应度为 110.22 mA W⁻¹，检测率为 5.56 × 10¹¹ jones，外部量子效率达 42.34%。此外，基于 GaN/Ga₂O₃ 异质结的 8×8 光探测器阵列通过激光写入技术制备，并展示了紫外成像能力。本报告首次报道了利用激光写入技术制备光探测器阵列的先驱性工作。研究成果为大面积异质结光探测器阵列的制备提供了灵活且可扩展的方法。

        在本研究中，研究团队通过激光处理氧化 GaN 表面，成功证明了制备 GaN/Ga₂O₃ 异质结的可行性。此外，还利用激光刻写技术成功制备了 8×8 GaN/Ga₂O₃ 异质结光探测器阵列。在零偏压下，光探测器对紫外线照射表现出强烈的响应，光暗电流比高达 10⁴。光探测器的灵敏度和探测率分别为 110.22 mA W⁻¹ 和 5.56 × 10¹¹ Jones。此外，观察到这些光探测器具有高度的稳定性和可重复性，可有效用于紫外成像应用。该研究为利用激光刻写技术开发光探测器阵列提供了新的方法。

Figure 1. a) Schematic for laser writing of the GaN/Ga₂O₃ heterojunction photodetector array. b) Optical image of the 8 × 8 UV detection array. c) Structural diagram of the GaN/Ga₂O₃ heterojunction photodetector.

Figure 2． a) SEM image for the surface of GaN before (right) and after (left) laser processing. EDS mapping of b) oxygen and c) nitrogen elements. d) XRD patterns of pristine GaN and laser-processed GaN. e) Raman patterns of pristine GaN and the laser-processed GaN (GaN/Ga₂O₃). f) Raman mapping of GaN with a laser-processed pattern of “Phy”, the inset is the corresponding optical image.

DOI：

doi.org/10.1002/admi.202300371