厦大程其进/张洪良团队: 高精度日盲紫外光电探测器重要新进展

文摘   2024-10-15 11:17   北京  

研究背景

β-Ga₂O₃ 作为新兴超宽禁带半导体材料,具有约 4.9 eV 的准直接带隙,其光响应峰值正好落在日盲紫外波段,是制备日盲紫外光电探测器的理想选择。此外,β-Ga₂O₃ 成本低廉,易于制备,又具有优良的化学和热稳定性,有望应用于高温和极端环境下的紫外监测。

但到目前为止,所报道的 β-Ga₂O₃ 基日盲紫外光电探测器虽然在个别指标上,如响应速度、响应度和暗电流等表现出色,但在整体性能上仍未能满足产业应用的高标准。特别是在暗电流控制和光电响应速度方面,现有技术仍有待提升。

因此,需要采取额外的制备工艺和后处理方法,来降低 Ga₂O₃ 基日盲紫外光电探测器的暗电流,提高其光电响应速度和响应度。从而开发出综合性能上能够满足或超越现有技术标准的新型 Ga₂O₃ 基日盲紫外光电探测器,推动其在高精度日盲紫外成像等领域的实际应用。

文章简介

近日,厦门大学 程其进/张洪良 团队系统地研究了氧气环境中的后退火和等离子体处理对 Ga₂O₃ 薄膜晶体质量和光电性能的影响;之后,结合后退火与等离子体处理,创新地提出了一种在高温下(最佳温度为 700°C)进行氧气等离子体处理的方法,得到了综合性能优异的日盲紫外光电探测器件。该方法可以钝化 Ga₂O₃ 薄膜表面的缺陷以及提高薄膜内部的晶体质量,有效降低 Ga₂O₃ 薄膜的背景载流子浓度,提高日盲紫外光电探测器的性能。
该工作构建的金属-半导体-金属结构的光电探测器,在 20 V 偏压下,获得了 44 fA 的极低暗电流、1.45 × 1016 Jones 的极高探测率、4.7 × 107 的光暗电流比、264.1 A/W 的响应度、58 ms 的下降时间。结合光致发光谱图和 X 射线光电子能谱分析,该团队详细研究了高温下(700°C)氧气等离子体处理提高光电探测器性能的原因:高温氧气等离子体处理后,氧空位相关的缺陷减少,费米能级向价带顶移动,提高了金属-半导体接触的肖特基势垒,减少了陷阱辅助隧穿和直接隧穿发生的概率,有效降低了暗电流,提升了光电探测器的性能(Figure 1)。

  • Figure 1. (a) 基于 Ga2O3 原始样品和 700°C 氧气等离子体处理样品的光电探测器在暗态和 254 nm 光照下的电流-电压特性曲线;(b) 基于 Ga2O3 原始样品和 700°C 氧气等离子体处理样品的光致发光谱图;(c) 基于 Ga2O3 原始样品和 700°C 氧气等离子体处理样品的价带谱;(d) 基于 Ga2O3 原始样品的金属-半导体-金属结构的光电探测器在暗态下的能带图;(e) 基于 700°C 氧气等离子体处理样品的金属-半导体-金属结构的光电探测器在暗态下的能带图(图中 EC、EV、EF 分别代表导带、价带和费米能级)。


在实现高性能 Ga2O3 光电探测器的基础上,该团队构建了 10×10 的光电探测器阵列,并研究了单个器件的性能与整个阵列的电流均匀性,获得了性能优异、均匀性良好的光电探测器阵列,并且在日盲紫外成像方面做了一些研究,实现了基础英文字母的显示成像(如图 2 所示)。

  • Figure 2. (a) 10 × 10 Ga2O3 基光电探测器阵列的光学显微镜图像;(b) 光电探测器阵列中九个像素的放大图像;(c) 所有像素的二维光电流图(偏压 20 V 下测量);(d) 暗态和 254 nm 紫外光照射下光电探测器阵列中所有像素的统计光电流和暗电流(偏压 20 V 下测量);(e) 成像系统的示意图。


该研究为实现高精度日盲紫外成像奠定了坚实基础。该成果以 “Ultralow dark current and high specific detectivity of Ga2O3-based solar-blind photodetector arrays realized via post-annealing in oxygen plasma”(《通过氧气等离子体后退火实现具有超低暗电流和高比探测率的 Ga2O3 基日盲光电探测器阵列》)为题,发表在英国皇家化学会期刊 Journal of Materials Chemistry C 上,并入选为 hot article


论文信息

  • Ultralow dark current and high specific detectivity of Ga2O3-based solar-blind photodetector arrays realized via post-annealing in oxygen plasma

    Lingjie Bao, Zheng Liang, Siliang Kuang, Bohan Xiao, Kelvin H. L. Zhang, Xiangyu Xu* 徐翔宇,厦门大学)and Qijin Cheng*程其进,厦门大学)

    J. Mater. Chem. C, 2024, 12, 14876-14886
    https://doi.org/10.1039/D4TC02859G

作者简介

鲍凌杰 硕士研究生
厦门大学

本文第一作者,厦门大学硕士研究生,2024 年毕业于厦门大学。硕士期间主要研究方向为宽禁带半导体。






徐翔宇 博士后
厦门大学

本文通讯作者,厦门大学博士后。2023 年博士毕业于厦门大学。主要研究方为宽禁带半导体材料和器件。






程其进 副教授
厦门大学
本文通讯作者,厦门大学副教授。2008 年博士毕业于南洋理工大学,主持完成国家和省部级科研项目多项,发表研究论文 100 余篇。研究领域主要包括宽禁带半导体、二维材料、光电探测器、太阳能电池。

期刊介绍

Materials with applications in optical, magnetic & electronic devices

rsc.li/materials-c

J. Mater. Chem. C

2-年影响因子*5.7
5-年影响因子*6.0
JCR 分区*Q1 物理-应用
Q2 材料科学-跨学科
CiteScore 分10.8
中位一审周期29 


Journal of Materials Chemistry ABC 报道材料化学各领域的高质量理论或实验研究工作。这三本期刊发表的论文侧重于报道对材料及其性质的新理解、材料的新应用以及材料合成的新方法。Journal of Materials Chemistry ABC 的区别在于所报道材料的不同预期用途。粗略的划分是,Journal of Materials Chemistry A 报道材料在能源和可持续性方面的应用,Journal of Materials Chemistry B 报道材料在生物学和医学方面的应用,Journal of Materials Chemistry C 报道材料在光学、磁学和电子设备方面的应用。

Editor-in-Chief

  • Natalie Stingelin
    🇺🇸 佐治亚理工学院

Associate editors
  • A. S. Achalkumar
    🇮🇳 印度理工学院古瓦哈提分校

  • Rachel Crespo-Otero
    🇬🇧 伦敦大学学院

  • Renaud Demadrille
    🇫🇷 格勒诺布尔跨学科研究所

  • Antonio Facchetti
    🇺🇸 佐治亚理工学院/西北大学

  • Unyong Jeong
    🇰🇷 浦项科技大学

  • Oana Jurchescu
    🇺🇸 威克森林大学

  • Mingzhu Li (李明珠)
    🇨🇳 中科院理化技术研究所

  • Martyn McLachlan
    🇬🇧 伦敦帝国理工学院

  • Kasper Moth-Poulsen
    🇪🇸 巴塞罗那材料科学研究所

  • Ana Flávia Nogueira
    🇧🇷 坎皮纳斯州立大学

  • Erin Ratcliff
    🇺🇸 亚利桑那大学

  • Yana Vaynzof
    🇩🇪 德累斯顿工业大学

  • Maia G. Vergniory
    🇩🇪 马普固体物理化学研究所

  • Zhiguo Xia (夏志国)
    🇨🇳 华南理工大学

  • Hao-Li Zhang (张浩力)
    🇨🇳 兰州大学

  • Ni Zhao (赵铌)
    🇨🇳🇭🇰 香港中文大学

* 2023 Journal Citation Reports (Clarivate, 2024)

 CiteScore 2023 by Elsevier
 中位数,仅统计进入同行评审阶段的稿件







欢迎联系我们发布论文报道
📧 RSCChina@rsc.org

点击下方「阅读原文」查看

↓↓↓

RSC Materials Science
英国皇家化学会材料期刊公众号,欢迎关注
 最新文章