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    寧波材料所研發氧化鎵基日盲紫外光電探測器的低溫制備技術
    作者:,日期:2022-10-17

      日盲紫外光電探測器在民生(如電網安全監測、環境與生化檢測、森林火災告警、醫學成像等)領域有重要應用,是世界各國競相研發的焦點。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)、物理化學性能穩定等諸多優勢,是理想的日盲(截止波長~280 nm,對應光子能量~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的進展,但工藝溫度普遍較高。相比外延或多晶薄膜材料,非晶半導體薄膜可低溫、大面積均勻制備,為實現大面積柔性應用,氧化鎵低溫制備技術的研發勢在必行。然而,非晶薄膜難以致密化,其微結構和化學計量比難以有效調控,導致氧化鎵有源層內載流子濃度和氧空位等缺陷難以調控,同時器件的光響應度和響應時間也難以協同提高。

      中國科學院寧波材料技術與工程研究所科研團隊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控研究。前期,團隊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。(專利 201811624877.2;Applied Physics Letters 116, 19 (2020))。

      近期,團隊通過施加磁控濺射襯底偏壓輔助制備工藝,有效調控了非晶氧化鎵(a-GaOx)薄膜的表面粗糙度、相對質量密度、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,大幅提高了薄膜的致密度和載流子的遷移率,相應日盲紫外探測器的光響應度提高了460倍,并具有良好的光譜選擇性(專利 202110538417.3;Ceramics International 47, 22 (2021))。

      團隊開發了金屬誘導低溫退火工藝,使得氧化鎵的結晶溫度降低200℃;提出了籽晶層和非平衡態聯合作用下的低溫誘導結晶機制,誘導后薄膜的致密度得到大幅提高,帶尾態、氧空位等缺陷態顯著降低,相應光電薄膜晶體管探測器具有優異的光譜選擇性,如圖1所示(專利 202111652029.4;The Journal of Physical Chemistry Letters 13, 31 (2022))。

      相關研究工作得到中科院國際伙伴計劃、浙江省自然科學基金重大項目和寧波市重大攻關等項目的支持。

    低溫結晶機理及探測器光電性能的測試

     ?。{米實驗室 裴郁)

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