近日，東南大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院徐春祥教授團(tuán)隊(duì)在日盲雪崩光電探測領(lǐng)域取得重要進(jìn)展，相關(guān)研究成果以“1D core@dual-shell radial heterojunction for unipolar barrier solar-blind avalanche photodetector”為題發(fā)表在《Advanced Functional Materials》期刊上。

背景介紹

日盲紫外（200-280 nm）探測器因其在環(huán)境監(jiān)測、火焰探測、空間通信及國防安全等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，備受學(xué)界和業(yè)界關(guān)注。近年來，Ga2O3基雪崩光電探測器（APDs）憑借其極高的擊穿電壓、優(yōu)異的熱穩(wěn)定性以及顯著提升的響應(yīng)度和增益潛力而成為研究熱點(diǎn)。盡管在器件設(shè)計(jì)和材料工程方面已取得一定進(jìn)展，目前日盲APDs的性能提升仍面臨諸多挑戰(zhàn)，主要表現(xiàn)為探測率和增益的進(jìn)一步優(yōu)化受限?，F(xiàn)有研究表明，提升光吸收效率、增加反向偏壓以及有效抑制暗電流，是改善APDs性能的關(guān)鍵策略。此外，實(shí)現(xiàn)低噪聲、高增益的可靠器件設(shè)計(jì)，也是需要重點(diǎn)攻克的技術(shù)難點(diǎn)。 

成果簡介

徐春祥教授團(tuán)隊(duì)通過設(shè)計(jì)一維ZnO/HfO2/Ga2O3核@雙殼徑向異質(zhì)結(jié)，引入單極勢壘結(jié)構(gòu)，成功實(shí)現(xiàn)了超高性能的日盲區(qū)雪崩光電探測器。一維結(jié)構(gòu)通過提升比表面積，有效增強(qiáng)了光吸收效率，同時(shí)克服了傳統(tǒng)體材料器件中光約束能力不足的局限性。通過在徑向異質(zhì)結(jié)中引入HfO2勢壘層，導(dǎo)帶階從1.49 eV提高至2.15 eV，同時(shí)避免了價(jià)帶勢壘的引入，從而構(gòu)建出具有高導(dǎo)帶階的單極勢壘結(jié)構(gòu)。這種高單極勢壘不僅有效抑制了暗電流，還顯著提高了雪崩擊穿電場和雪崩增益。優(yōu)化后的雪崩光電探測器實(shí)現(xiàn)了2.2 × 105 A/W的響應(yīng)度和3.1 × 1016 Jones的探測率，雪崩增益達(dá)到4.7 × 104，是無HfO?勢壘層器件的15.6倍。相較于其他日盲區(qū)光電探測器（如AlGaN、MgZnO和Ga2O3基日盲區(qū)雪崩光電探測器），該器件在性能指標(biāo)上表現(xiàn)出明顯優(yōu)勢。此外，該探測器具有6.4 ms的響應(yīng)時(shí)間和102的日盲/可見光響應(yīng)比，展現(xiàn)出卓越的抗太陽光干擾能力，為日盲區(qū)光電探測技術(shù)的發(fā)展提供了新的思路。

該論文由東南大學(xué)電子學(xué)院徐春祥教授團(tuán)隊(duì)發(fā)表，第一作者為博士生董建奇，東南大學(xué)徐春祥教授、石增良副教授和暨南大學(xué)游道通副教授為共同通訊作者。該研究得到了國家自然科學(xué)基金委面上/重點(diǎn)項(xiàng)目和江蘇省基礎(chǔ)研究計(jì)劃的資助。 

文章信息

Jianqi Dong, Pen Wan, Wei Xia, et al. 1D core@dual-shell radial heterojunction for unipolar barrier solar-blind avalanche photodetector. Adv. Funct. Mater. 2024, 2417865.（https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adfm.202417865）