近日，我院龙世兵和胡芹团队在日盲紫外光电探测研究中取得新进展。针对氧化镓光电探测器中存在的响应度和响应速度相互制约的问题，该课题组从理论和仿真分析入手，创新性地提出了一种基于氧化镓双层薄膜结构的高性能光电探测器设计策略。该结构可以通过调控器件内部电场分布和光生载流子提取路径来缓解响应度和响应速度间的互相制约。基于此设计，该工作成功构建了同时具备高响应度和快响应速度的氧化镓日盲紫外光电探测器，验证了该结构的有效性，及其在氧化镓日盲紫外光电探测领域的应用潜力。该工作为高性能氧化镓日盲光电探测器的进一步发展提供了一种新思路，相关成果以“Alleviating trade-off between responsivity and response speed of Ga2O3 solar-blind photodetector via modulation of carrier redistribution and extraction accessibility”为题发表于国际知名学术期刊《InfoMat》上。
日盲紫外波段（200-200 nm）的光电探测技术具有背景噪声极低、灵敏度高、可全天候工作等核心优势，其应用范围涵盖了电力监测、导弹追踪、火灾监控、光通讯等多个领域。目前，商用日盲紫外探测器多基于硅材料，但由于硅材料较宽的吸收波段及在日盲波段较低的量子效率，使硅基日盲紫外探测器面临滤波器依赖、响应度较低等问题。氧化镓材料具有对应于日盲紫外波段的禁带宽度、光电灵敏度高、稳定性强、制造成本低等优势，在日盲紫外光电探测领域具有巨大潜力。但目前氧化镓日盲光电探测器仍面临着高响应度和快响应速度间相互制约的问题，尤其是其较慢的响应速度离商业化应用的要求还有较大差距。
针对上述问题，该工作基于理论和仿真分析创新性地提出了一种基于双层氧化镓薄膜结构的高性能探测器设计策略（图1），该结构由位于底层的具有高响应度特性的氧化镓薄膜Layer 1和位于上层的具有快响应速度的氧化镓薄膜Layer 2构成。该结构通过调控氧化镓薄膜内部载流子再分布、电场分布和载流子提取路径，以使基于该结构的探测器结合Layer 1和Layer 2双重优势（高响应度+快响应速度）。
图1 （a）基于双层氧化镓薄膜结构设计的光电探测器器件结构示意图；(b) 双层氧化镓薄膜结构设计的效果示意图；（c）黑暗条件，（d）光照条件，（e）光初关闭条件下的能带结构及载流子再分布示意图；(F)双层薄膜结构内部内建电场分布仿真结果；分别在(G)黑暗/光初关闭条件和(H)光照条件下载流子提取路径分布仿真结果。
基于以上设计，该工作成功实现了同时具有高响应度和高响应速度的氧化镓日盲紫外光电探测器(图2)。经过优化后的器件实现了高达236.1 A/W的响应度和低至50 ms的响应速度。综上所述，本工作提出了一种创新性的双层氧化镓薄膜结构设计，并基于该设计构建了高性能氧化镓日盲光电探测器，成功缓解了高响应度和高响应速度间相互制约的问题，也为高性能氧化镓日盲光电探测器的发展提供了一种有效的方案。
图2 基于双层氧化镓薄膜结构器件的光电响应性能。(a)I-V响应；（b）周期性I-T响应；（c）一个典型I-T响应周期；(D)光电流随光功率的变化；(E)光暗电流比(PDCR)和响应度(R)随光功率的变化；（F）归一化响应谱。
此项研究工作得到了国家自然科学基金委、国家重点研发计划和中国科学技术大学基金等项目的资助，也得到了中国科学技术大学微纳研究与制造中心和理化科学实验中心的支持。我院胡芹特任研究员、高南特任研究员和侯小虎特任副研究员为该论文共同通讯作者，研究生马晓兰和谭鹏举、张颖博士为论文的共同第一作者。我院龙世兵教授、赵晓龙特任教授和徐光伟特任研究员参与了项目的联合技术攻关。
论文链接：{http://doi.org/10.1002/inf2.70016}