【研究背景】
紫外光电探测器具有低噪声电流和高紫外光选择性的独特优势，可应用于空间通信、制导、尾焰/臭氧监测、生化分析等领域。为满足先进成像功能的迫切需求，近年来各课题组开发了具有广角视觉、高效成像、颜色分类和目标定位能力的多种紫外光电探测器。超宽带隙半导体是实现高性能紫外探测的材料基础。Ga2O3、ZnMgO、AlGaN和AlN等材料表现出较高的紫外吸收可调性、热稳定性和化学稳定性。其中，具有高击穿电场(~ 8 MV/cm)和Baliga优值(~ 3412)的Ga2O3在下一代光电器件应用中表现出明显优势。然而，尽管Ga2O3材料在最近的研究中取得了开创性进展，但制备工艺复杂，产业化难度大等不利因素制约了其多功能光电探测器的发展。
【成果介绍】
基于以上科学问题和技术难点，东北师范大学徐海阳教授团队和中国科学技术大学龙世兵教授团队共同提出并构筑了一种基于液态金属氧化制备的超薄Ga2O3光电探测器，获得了高响应速度和紫外光源轨迹追踪的能力。携手在“Nano letters”期刊上发表了题为“Ultrathin Ga2O3 Photodetector with Fast Response and Trajectory Tracking Capability Fabricated by Liquid Metal Oxidation”的前沿论文。该论文的通讯作者为东北师范大学刘为振教授、中国科学技术大学副研究员赵晓龙以及东北师范大学徐海阳教授。
该工作利用紫外曝光液态镓，在石英棒阵列上制备了厚度为~7 nm的均匀Ga2O3层。利用Raman、XPS、TEM、AFM等表征手段对超薄Ga2O3进行了详细研究，证实了Ga2O3薄膜的超高质量。由此构筑的Ga2O3紫外光电探测器具有高的响应速度(64.7μs/51.4 μs)和良好的线性动态范围(LDR=120dB）。此外，基于这些超薄Ga2O3的探测器阵列通过监测紫外光源的运动，表现出高效的轨迹跟踪能力。
【图文导读】
图1：超薄Ga2O3紫外光电探测器的制备工艺：涂抹液态镓-紫外曝光-洗去金属镓-阵列制备-器件构筑等流程。
图2：液态金属氧化制备的Ga2O3薄膜物性表征：TEM、Raman、XPS等。
图3：超薄Ga2O3紫外探测器的光电性能测试：展示出超高的响应速度(64.7 μs/51.4 μs)和优秀的线性动态范围(LDR=120 dB），探测器阵列具有良好的均匀性和稳定性。
图4：Ga2O3光电探测器阵列对于简单/复杂紫外光源运动轨迹的追踪能力和速度测定。
【总结展望】
超薄Ga2O3层是通过简单地用紫外光照射石英棒上的液态镓涂层来制备的。基于这些超薄Ga2O3，紫外探测器阵列具有响应速度快、线性动态范围宽、器件性能整体均匀性好等特点。该光电探测器阵列表现出有效的紫外光源运动监测和轨迹跟踪能力。本工作不仅为构建超薄氧化物材料提供了一种简化的制备方法，也揭示了2D Ga2O3基光电器件在紫外检测/通信、运动监测和光学定位等应用的巨大的潜力。
【文章信息】
Weiheng Zhong, Yuqing Liu, Hong Huang, Zhaojie Sun, Wei Xin, Weizhen Liu,* Xiaolong Zhao,*
Shibing Long, and Haiyang Xu* Nano Lett. https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c04030
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