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，難以實現(xiàn)本征日盲特性，同時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)體團隊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)計和系統(tǒng)應(yīng)用方面取得系列研究進展。
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，研究團隊借鑒缺陷工程思路，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(ACS Appl. Mater. Interfaces 2023, 15, 10868, DOI: 10.1021/acsami.3c00124; Mater. Today Phys. 2023, 38, 101280, DOI: 10.1016/j.mtphys.2023.101280)。
面向探測器件的低功耗和自驅(qū)動應(yīng)用需求，研究團隊利用能帶工程設(shè)計和構(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證。進一步研發(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反向偏壓下實現(xiàn)1.5×104 A/W的超高響應(yīng)度，雪崩增益達1.6×106，創(chuàng)下同類器件性能紀錄(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(Appl. Phys. Lett. 2023, 123, 201104, DOI: 10.1063/5.0178815; ACS Appl. Mater. Interfaces 2025, DOI: 10.1021/acsami.5c00309；Mater. Today Phys. 2024, 42, 101385, DOI: 10.1016/j.mtphys.2024.101385)。
研究團隊進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，光電流實現(xiàn)了34.53 μA/-164.08 μA的可逆切換?；诖颂匦裕瑘F隊設(shè)計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，從而實現(xiàn)信息的動態(tài)加密，有效確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?如圖3)，相關(guān)成果發(fā)表在學(xué)術(shù)期刊ACS Photonics上(ACS Photonics 2025, DOI: 10.1021/acsphotonics.4c02509)。
未來，研究團隊將持續(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)突破與工程實踐。上述研究成果得到了國家自然科學(xué)基金(62204244、62304227)、中國科學(xué)院人才項目、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)新團隊(2021A-046-C)等項目的資助。
圖1 微米級ε-Ga2O3厚膜載流子輸運調(diào)控機制及性能對比
圖2 自驅(qū)動光通信系統(tǒng)工作原理示意圖
圖3 光電異或邏輯門實現(xiàn)安全光通信的原理圖
