日盲紫外探測技術(shù)因高信噪比、低誤警率的特性，已成為天體物理觀測、高壓電力監(jiān)測、森林防火、國家高技術(shù)應(yīng)用等領(lǐng)域關(guān)鍵技術(shù)。傳統(tǒng)硅基探測器受限于材料特性，需通過復(fù)雜濾光系統(tǒng)實現(xiàn)日盲波段識別，導(dǎo)致設(shè)備笨重、成本高昂且抗輻射能力不足。超寬禁帶半導(dǎo)體氧化鎵（Ga2O3）帶隙~4.9 eV，是天然的日盲紫外波段（200-280 nm）探測材料，其254 nm光譜截止特性可在無需外置濾光裝置條件下實現(xiàn)超高信噪比探測。此外，近年來Ga2O3單晶可通過熔體法等成熟工藝制備大尺寸襯底，使其兼具低成本量產(chǎn)潛力與卓越的抗輻照性能，為構(gòu)建輕量化、高性能、大面陣日盲紫外探測器集成芯片提供了堅實的基礎(chǔ)。

中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所納米加工平臺聯(lián)合納米器件研究部相關(guān)團隊，憑借氧化鎵探測器陣列優(yōu)化與智能電路設(shè)計的協(xié)同創(chuàng)新，在日盲紫外探測領(lǐng)域取得重要突破。

動態(tài)紫外成像系統(tǒng)：Ga2O3陣列實現(xiàn)3米日盲紫外目標(biāo)實時追蹤

研究團隊基于金屬有機化學(xué)氣相沉積（MOCVD）外延生長技術(shù)通過優(yōu)化三乙基鎵（TEGa）流量抑制Ga2O3外延薄膜中深能級缺陷氧空位，將Ga2O3日盲紫外探測器的噪聲電流降低至1.01 pA，響應(yīng)速度提升至1.6 ms，靈敏度達到3.72 A/W。在電路設(shè)計方面，器件部宋賀倫團隊構(gòu)建了“四位一體”信號處理體系——采用低導(dǎo)通電阻開關(guān)陣列實現(xiàn)像素精準選通，跨阻放大電路完成nA級微弱信號放大，高有效位數(shù)ADC低噪聲信號采集，結(jié)合FPGA芯片的高速并行處理，形成完整的成像電路解決方案?；诖碎_發(fā)的8×8像素陣列成像系統(tǒng)，可在自然光環(huán)境下識別3米外2.6 μW/cm2的微弱紫外信號，并實時捕捉運動點光源軌跡（如飛行器尾焰模擬）。為國家高技術(shù)領(lǐng)域、民用火災(zāi)監(jiān)測等場景提供了小型化、高可靠性的日盲紫外成像技術(shù)新范式。

該成果以Ultrasensitive dynamic ultraviolet imaging based on Ga2O3 photodetector array為題發(fā)表在光學(xué)領(lǐng)域國際著名期刊Optics Letters（2025,50(5),pp. 1633-1636.

圖1. UV動態(tài)成像測試方案示意圖及上位機軟件顯示窗口

圖2. 紫外成像系統(tǒng)原型的示意圖和紫外成像系統(tǒng)的顯示效果

近年來，納米加工平臺圍繞超寬禁帶半導(dǎo)體材料與器件搶占“芯”一輪材料技術(shù)制高點的國家戰(zhàn)略需求，為超寬禁帶半導(dǎo)體氧化鎵（Ga2O3）薄膜外延與器件工藝等發(fā)展提供技術(shù)支撐，攻克氧化鎵日盲紫外探測器的靈敏度、速度與集成化等難題，近期取得了一系列新突破：

（1）低功耗探測器突破：GaON介質(zhì)層實現(xiàn)響應(yīng)度20倍躍升

針對自驅(qū)動探測器靈敏度低的瓶頸，研究團隊通過MOCVD技術(shù)在p-GaN基底上生長多晶相Ga2O3薄膜，并創(chuàng)新引入原位GaON介質(zhì)層，顯著提升光生載流子分離效率。該器件在零偏壓下實現(xiàn)3.8 A/W超高響應(yīng)度（254 nm光照），暗電流低至3.08 pA，探測率達1.12×1014 Jones，響應(yīng)速度達66/36 ms，無需外接電源即可工作。該成果為深空探測、野外監(jiān)測等無源場景提供了小型化解決方案。

該成果以High-Photoresponsivity Self-Powered a?,ε?,and β?Ga2O3/p-GaN Heterojunction UV Photodetectors with an In Situ GaON Layer by MOCVD為題發(fā)表于期刊ACS Applied Materials & Interfaces上（2022,14,(30),35194-35204.

圖3. 原位GaON介質(zhì)層強化光電流示意圖和器件254 nm光照I-V特性曲線

（2）高速高頻探測器：納米種子層抑制缺陷，帶寬突破2 kHz

為提升器件響應(yīng)速度，團隊在4 inch藍寶石（Sapphire）襯底MOCVD外延生長時，提出并設(shè)計了單晶Ga2O3納米顆粒種子層（NPSL），將薄膜生長模式從島狀生長優(yōu)化為橫向合并，有效抑制氧空位等深能級缺陷。制備的金屬-半導(dǎo)體-金屬（MSM）結(jié)構(gòu)探測器暗電流僅81.03 pA，響應(yīng)速度達62/142 μs，頻率帶寬2 kHz，探測率2.81×1014 Jones，線性動態(tài)范圍61 dB，可滿足高速通信與瞬態(tài)信號捕捉需求。

相關(guān)論文以High-Speed and Ultrasensitive Solar-Blind Ultraviolet Photodetectors based on In Situ Grown β?Ga2O3 Single-Crystal Films為題發(fā)表于期刊ACS Applied Materials & Interfaces（2024,16(5),6068-6077.

圖4. （a）4 inch Sapphrie襯底Ga2O3外延片，（b）Ga2O3 MSM探測器頻率響應(yīng)帶寬

圖5. 基于擴散理論的肖特基勢壘和缺陷增益分析

（3）準垂直結(jié)構(gòu)Ga2O3肖特基探測器：高速與高響應(yīng)度

面向國家高精度探測需求，研究團隊通過縮短載流子遷移路徑與優(yōu)化電極設(shè)計，基于Pt低電極外延生長的準垂直結(jié)構(gòu)Ga2O3肖特基紫外探測器，引入光敏區(qū)嵌入金屬條紋設(shè)計，將響應(yīng)度提升至2998 A/W，響應(yīng)時間達120 μs。為機載探測、臭氧監(jiān)測等高精度探測應(yīng)用提供了全新解決方案。

相關(guān)成果以High-Speed and High-Responsivity Quasi-Vertical Schottky Photodetectors of Epitaxial Ga2O3 on Pt Substrate為題發(fā)表于期刊IEEE Electron Device Letters（2025,46 (1),60-63.

圖6. 準垂直型Pt/Ga2O3肖特基光電探測器及核心參數(shù)對比

上述系列成果推動了氧化鎵日盲紫外探測器向高靈敏、低功耗、小型化方向發(fā)展，在環(huán)境監(jiān)測、生物醫(yī)療、深空探測、國家高技術(shù)應(yīng)用等領(lǐng)域具有重大應(yīng)用價值和技術(shù)優(yōu)勢。上述工作得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、江西省自然科學(xué)基金、南昌重點實驗室建設(shè)項目等支持，同時得到了中國科學(xué)院蘇州納米所納米加工平臺、測試分析平臺、納米器件研究部、納米真空互聯(lián)實驗站（Nano-X）等部門大力支持。

（來源：中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所 ）