?日盲紫外探測器（200-280nm）作為國防安全與環(huán)境監(jiān)測的“火眼金睛”，在森林火災(zāi)預(yù)警、深空探測等領(lǐng)域發(fā)揮著不可替代的作用。然而，傳統(tǒng)硅基器件受限于4.42 eV光子能量閾值，難以實(shí)現(xiàn)本征日盲特性，同時(shí)還存在暗電流高和熱穩(wěn)定性差等瓶頸。中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所硅基太陽電池及寬禁帶半導(dǎo)體團(tuán)隊(duì)在葉繼春研究員與張文瑞研究員的帶領(lǐng)下，以鎵系超寬禁帶半導(dǎo)體氧化物（Ga2O3和ZnGa2O4）為核心材料，圍繞其本征日盲特性和耐極端環(huán)境等優(yōu)勢展開攻關(guān)，在缺陷調(diào)控、器件設(shè)計(jì)和系統(tǒng)應(yīng)用方面取得系列研究進(jìn)展。
?針對日盲紫外探測器響應(yīng)度和響應(yīng)速度難以協(xié)同提升的技術(shù)瓶頸，研究團(tuán)隊(duì)借鑒缺陷工程思路，發(fā)展了調(diào)控外延缺陷空間分布與表面缺陷鈍化技術(shù)，有效提高了光生載流子的選擇性輸運(yùn)和快速收集能力，顯著提升了金屬-半導(dǎo)體-金屬型日盲紫外探測器件性能（光響應(yīng)度>104 A/W，探測能力>1016 Jones，紫外-可見抑制比>104），并實(shí)現(xiàn)了日盲紫外信號的成像展示（如圖1）。相關(guān)成果發(fā)表在學(xué)術(shù)期刊ACS Applied Materials & Interfaces和Materials Today Physics上。
圖1?微米級ε-Ga2O3厚膜載流子輸運(yùn)調(diào)控機(jī)制及性能對比
面向探測器件的低功耗和自驅(qū)動(dòng)應(yīng)用需求，研究團(tuán)隊(duì)利用能帶工程設(shè)計(jì)和構(gòu)建了4H-SiC/ZnGa2O4和p-NiO/i-Ga2O3/n-Ga2O3異質(zhì)結(jié)自供能日盲紫外探測器。其中，4H-SiC/ZnGa2O4器件實(shí)現(xiàn)了零偏壓工作，獲得0.115A/W的高響應(yīng)度，量子效率高達(dá)58.4%，并且器件在無外接偏壓的條件下，成功完成了光通信功能驗(yàn)證。進(jìn)一步研發(fā)了面向弱光探測的ε-Ga2O3/BaSnO3異質(zhì)結(jié)雪崩光電探測器，在46.5V反向偏壓下實(shí)現(xiàn)1.5×104 A/W的超高響應(yīng)度，雪崩增益達(dá)1.6×106，創(chuàng)下同類器件性能紀(jì)錄（如圖2）。該成果為深空探測等極端環(huán)境下的弱光信號檢測提供了創(chuàng)新解決方案。相關(guān)成果發(fā)表在學(xué)術(shù)期刊Applied Physics Letters、ACS Applied Materials & Interfaces和Materials Today Physics上。
圖2?自驅(qū)動(dòng)光通信系統(tǒng)工作原理示意圖
研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步探索日盲紫外探測器在保密通信中的應(yīng)用，構(gòu)建了p-NiO/n-ZnGa2O4異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管，并發(fā)現(xiàn)柵壓調(diào)控光電流極性切換現(xiàn)象。該器件在0/40 V柵壓調(diào)控下，光電流實(shí)現(xiàn)了34.53 μA/-164.08 μA的可逆切換。基于此特性，團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了光電異或邏輯門方案，以柵極電壓和日盲紫外光作為輸入、漏源電流作為輸出。通過調(diào)控柵極電壓對光信號進(jìn)行編碼，使通信信號被截獲，若無正確的加密信號，接收方仍無法解析原始光信息，從而實(shí)現(xiàn)信息的動(dòng)態(tài)加密，有效確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩裕ㄈ鐖D3），相關(guān)成果發(fā)表在學(xué)術(shù)期刊ACS Photonics上。
圖3?光電異或邏輯門實(shí)現(xiàn)安全光通信的原理圖
未來，研究團(tuán)隊(duì)將持續(xù)深化鎵系超寬禁帶半導(dǎo)體材料與器件的基礎(chǔ)研究，加快推動(dòng)新型紫外探測器的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，助力我國在高性能光電探測領(lǐng)域的技術(shù)突破與工程實(shí)踐。 ?相關(guān)成果
ACS Applied Materials & Interfaces Directional Carrier Transport in Micrometer-Thick Gallium Oxide Films for High-Performance Deep-Ultraviolet Photodetection DOI: 10.1021/acsami.3c00124 Materials Today Physics Photocarrier transport reconstruction and dramatical performance enhancement in ultrawide-bandgap ε-Ga2O3 photodetectors via surface defect passivation DOI: 10.1016/j.mtphys.2023.101280 Applied Physics Letters High-performance self-powered solar-blind ultraviolet photodetector based on a 4H-SiC/ZnGa2O4 heterojunction and its application in optical communication DOI: 10.1063/5.0178815 ACS Applied Materials & Interfaces Interface-Engineered High-Performance Self-Powered Solar-Blind Photodetector based on NiO/ε-Ga2O3 Heterojunctions DOI: 10.1021/acsami.5c00309 Materials Today Physics High performance solar blind avalanche photodetector based on a single-crystalline ?-Ga2O3/BaSnO3 heterojunction DOI: 10.1016/j.mtphys.2024.101385 ACS Photonics Gate-Tunable Current Polarity Switching in p-NiO/n-ZnGa2O4 Heterojunction Field-Effect Phototransistors for Secure Optical Communication DOI: 10.1021/acsphotonics.4c02509 ? 項(xiàng)目支持 國家自然科學(xué)基金 62204244、62304227 中國科學(xué)院人才項(xiàng)目 浙江省自然科學(xué)基金 LZ21F040001、LQ23F040003、LQ23F040005 寧波市甬江引才工程科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì) 2021A-046-C （來源：中國科學(xué)院寧波材料所）
