【儀表網(wǎng) 儀表研發(fā)】日盲紫外光電探測器在民生(如電網(wǎng)安全監(jiān)測、環(huán)境與生化檢測、森林火災(zāi)告警、醫(yī)學(xué)成像等)領(lǐng)域有重要應(yīng)用，是世界各國競相研發(fā)的焦點(diǎn)。氧化鎵具有寬帶隙(可至4.9 eV)、地殼豐度較高(中國鎵儲量全球第一)、物理化學(xué)性能穩(wěn)定等優(yōu)勢，是理想的日盲(截止波長～280 nm，對應(yīng)光子能量～4.42 eV)探測有源層材料。目前，氧化鎵日盲紫外探測器已取得一些重要進(jìn)展，但工藝溫度普遍較高。相比外延或多晶薄膜材料，非晶半導(dǎo)體薄膜可低溫、大面積均勻制備。為實(shí)現(xiàn)大面積柔性應(yīng)用，氧化鎵低溫制備技術(shù)的研發(fā)勢在必行。然而，非晶薄膜難以致密化，其微結(jié)構(gòu)和化學(xué)計(jì)量比難以有效調(diào)控，導(dǎo)致氧化鎵有源層內(nèi)載流子濃度和氧空位等缺陷難以調(diào)控，同時器件的光響應(yīng)度和響應(yīng)時間也難以協(xié)同提高。
中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所研究團(tuán)隊(duì)近年來一直致力于氧化鎵薄膜及其日盲紫外探測器的制備及其物性的調(diào)控研究。前期，團(tuán)隊(duì)通過溶液法制備了具有較高紫外-可見抑制比的氧化鎵基探測器，其功耗可至pW量級【Applied Physics Letters 116, 19 (2020)】。
近期，團(tuán)隊(duì)通過施加磁控濺射襯底偏壓輔助制備工藝，有效調(diào)控了非晶氧化鎵(a-GaOx)薄膜的表面粗糙度、相對質(zhì)量密度、折射率、帶隙和成分配比(鎵氧比)。在近室溫下制備的a-GaOx薄膜具有較少的各類缺陷態(tài)，大幅提高了薄膜的致密度和載流子遷移率，相應(yīng)日盲紫外探測器的光響應(yīng)度提高了460倍，并具有良好的光譜選擇性【Ceramics International 47, 22 (2021)】。
團(tuán)隊(duì)開發(fā)了金屬誘導(dǎo)低溫退火工藝，使得氧化鎵的結(jié)晶溫度降低200℃；提出了籽晶層和非平衡態(tài)聯(lián)合作用下的低溫誘導(dǎo)結(jié)晶機(jī)制，誘導(dǎo)后薄膜的致密度得到大幅提高，帶尾態(tài)、氧空位等缺陷態(tài)顯著降低，相應(yīng)光電薄膜晶體管探測器具有優(yōu)異的光譜選擇性【The Journal of Physical Chemistry Letters 13, 31 (2022)】。
相關(guān)研究工作得到中科院國際伙伴計(jì)劃、浙江省自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目和寧波市重大攻關(guān)項(xiàng)目等的支持。
低溫結(jié)晶機(jī)理及探測器光電性能的測試
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