近日，中國科大龍世兵和胡芹團(tuán)隊在日盲紫外光電探測研究中取得新進(jìn)展。針對氧化鎵光電探測器中存在的響應(yīng)度和響應(yīng)速度相互制約的問題，該課題組從理論和仿真分析入手，創(chuàng)新性地提出了一種基于氧化鎵雙層薄膜結(jié)構(gòu)的高性能光電探測器設(shè)計策略。該結(jié)構(gòu)可以通過調(diào)控器件內(nèi)部電場分布和光生載流子提取路徑來緩解響應(yīng)度和響應(yīng)速度間的互相制約?；诖嗽O(shè)計，該工作成功構(gòu)建了同時具備高響應(yīng)度和快響應(yīng)速度的氧化鎵日盲紫外光電探測器，驗證了該結(jié)構(gòu)的有效性，及其在氧化鎵日盲紫外光電探測領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。該工作為高性能氧化鎵日盲光電探測器的進(jìn)一步發(fā)展提供了一種新思路，相關(guān)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(fā)表于國際知名學(xué)術(shù)期刊《InfoMat》上。

日盲紫外波段（200-200 nm）的光電探測技術(shù)具有背景噪聲極低、靈敏度高、可全天候工作等核心優(yōu)勢，其應(yīng)用范圍涵蓋了電力監(jiān)測、導(dǎo)彈追蹤、火災(zāi)監(jiān)控、光通訊等多個領(lǐng)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(yīng)度較低等問題。氧化鎵材料具有對應(yīng)于日盲紫外波段的禁帶寬度、光電靈敏度高、穩(wěn)定性強(qiáng)、制造成本低等優(yōu)勢，在日盲紫外光電探測領(lǐng)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(yīng)度和快響應(yīng)速度間相互制約的問題，尤其是其較慢的響應(yīng)速度離商業(yè)化應(yīng)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(chuàng)新性地提出了一種基于雙層氧化鎵薄膜結(jié)構(gòu)的高性能探測器設(shè)計策略（圖1），該結(jié)構(gòu)由位于底層的具有高響應(yīng)度特性的氧化鎵薄膜Layer 1和位于上層的具有快響應(yīng)速度的氧化鎵薄膜Layer 2構(gòu)成。該結(jié)構(gòu)通過調(diào)控氧化鎵薄膜內(nèi)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(jié)構(gòu)的探測器結(jié)合Layer 1和Layer 2雙重優(yōu)勢（高響應(yīng)度+快響應(yīng)速度）。

圖1 （a）基于雙層氧化鎵薄膜結(jié)構(gòu)設(shè)計的光電探測器器件結(jié)構(gòu)示意圖；(b) 雙層氧化鎵薄膜結(jié)構(gòu)設(shè)計的效果示意圖；（c）黑暗條件，（d）光照條件，（e）光初關(guān)閉條件下的能帶結(jié)構(gòu)及載流子再分布示意圖；(F)雙層薄膜結(jié)構(gòu)內(nèi)部內(nèi)建電場分布仿真結(jié)果；分別在(G)黑暗/光初關(guān)閉條件和(H)光照條件下載流子提取路徑分布仿真結(jié)果。

基于以上設(shè)計，該工作成功實現(xiàn)了同時具有高響應(yīng)度和高響應(yīng)速度的氧化鎵日盲紫外光電探測器(圖2)。經(jīng)過優(yōu)化后的器件實現(xiàn)了高達(dá)236.1 A/W的響應(yīng)度和低至50 ms的響應(yīng)速度。綜上所述，本工作提出了一種創(chuàng)新性的雙層氧化鎵薄膜結(jié)構(gòu)設(shè)計，并基于該設(shè)計構(gòu)建了高性能氧化鎵日盲光電探測器，成功緩解了高響應(yīng)度和高響應(yīng)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(fā)展提供了一種有效的方案。

圖2 基于雙層氧化鎵薄膜結(jié)構(gòu)器件的光電響應(yīng)性能。(a)I-V響應(yīng)；（b）周期性I-T響應(yīng)；（c）一個典型I-T響應(yīng)周期；(D)光電流隨光功率的變化；(E)光暗電流比(PDCR)和響應(yīng)度(R)隨光功率的變化；（F）歸一化響應(yīng)譜。

此項研究工作得到了國家自然科學(xué)基金委、國家重點研發(fā)計劃和中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)基金等項目的資助，也得到了中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)微納研究與制造中心和理化科學(xué)實驗中心的支持。我院胡芹特任研究員、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。我院龍世兵教授、趙曉龍?zhí)厝谓淌诤托旃鈧ヌ厝窝芯繂T參與了項目的聯(lián)合技術(shù)攻關(guān)。