近日，中國科學技術大學微電子學院龍世兵和胡芹團隊在日盲紫外光電探測研究中取得新進展。針對氧化鎵光電探測器中存在的響應度和響應速度相互制約的問題，該課題組從理論和仿真分析入手，創新性地提出了一種基于氧化鎵雙層薄膜結構的高性能光電探測器設計策略。該結構可以通過調控器件內部電場分布和光生載流子提取路徑來緩解響應度和響應速度間的互相制約。基于此設計，該工作成功構建了同時具備高響應度和快響應速度的氧化鎵日盲紫外光電探測器，驗證了該結構的有效性，及其在氧化鎵日盲紫外光電探測領域的應用潛力。該工作為高性能氧化鎵日盲光電探測器的進一步發展提供了一種新思路，相關成果以“Alleviating trade-off between responsivity and response speed of Ga2O3
solar-blind photodetector via modulation of carrier redistribution and extraction accessibility”為題發表于國際知名學術期刊《InfoMat》上。
日盲紫外波段（200-200 nm）的光電探測技術具有背景噪聲極低、靈敏度高、可全天候工作等核心優勢，其應用范圍涵蓋了電力監測、導彈追蹤、火災監控、光通訊等多個領域。目前，商用日盲紫外探測器多基于硅材料，但由于硅材料較寬的吸收波段及在日盲波段較低的量子效率，使硅基日盲紫外探測器面臨濾波器依賴、響應度較低等問題。氧化鎵材料具有對應于日盲紫外波段的禁帶寬度、光電靈敏度高、穩定性強、制造成本低等優勢，在日盲紫外光電探測領域具有巨大潛力。但目前氧化鎵日盲光電探測器仍面臨著高響應度和快響應速度間相互制約的問題，尤其是其較慢的響應速度離商業化應用的要求還有較大差距。
針對上述問題，該工作基于理論和仿真分析創新性地提出了一種基于雙層氧化鎵薄膜結構的高性能探測器設計策略（圖1），該結構由位于底層的具有高響應度特性的氧化鎵薄膜Layer 1和位于上層的具有快響應速度的氧化鎵薄膜Layer 2構成。該結構通過調控氧化鎵薄膜內部載流子再分布、電場分布和載流子提取路徑，以使基于該結構的探測器結合Layer 1和Layer 2雙重優勢（高響應度+快響應速度）。
圖1 （a）基于雙層氧化鎵薄膜結構設計的光電探測器器件結構示意圖；(b) 雙層氧化鎵薄膜結構設計的效果示意圖；（c）黑暗條件，（d）光照條件，（e）光初關閉條件下的能帶結構及載流子再分布示意圖；(F)雙層薄膜結構內部內建電場分布仿真結果；分別在(G)黑暗/光初關閉條件和(H)光照條件下載流子提取路徑分布仿真結果。
基于以上設計，該工作成功實現了同時具有高響應度和高響應速度的氧化鎵日盲紫外光電探測器(圖2)。經過優化后的器件實現了高達236.1 A/W的響應度和低至50 ms的響應速度。綜上所述，本工作提出了一種創新性的雙層氧化鎵薄膜結構設計，并基于該設計構建了高性能氧化鎵日盲光電探測器，成功緩解了高響應度和高響應速度間相互制約的問題，也為高性能氧化鎵日盲光電探測器的發展提供了一種有效的方案。
圖2 基于雙層氧化鎵薄膜結構器件的光電響應性能。(a)I-V響應；（b）周期性I-T響應；（c）一個典型I-T響應周期；(D)光電流隨光功率的變化；(E)光暗電流比(PDCR)和響應度(R)隨光功率的變化；（F）歸一化響應譜。
此項研究工作得到了國家自然科學基金委、國家重點研發計劃和中國科學技術大學基金等項目的資助，也得到了中國科學技術大學微納研究與制造中心和理化科學實驗中心的支持。胡芹特任研究員、高南特任研究員和侯小虎特任副研究員為該論文共同通訊作者，研究生馬曉蘭和譚鵬舉、張穎博士為論文的共同第一作者。龍世兵教授、趙曉龍特任教授和徐光偉特任研究員參與了項目的聯合技術攻關。
論文鏈接：{http://doi.org/10.1002/inf2.70016}
（來源：中國科學技術大學）