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宁波材料所在超宽禁带半导体基日盲紫外探测领域取得系列进展

　　【蜂耘网 仪器仪表】日盲紫外探测器(200-280nm)作为国防安全与环境监测的“火眼金睛”，在森林火灾预警、深空探测等领域发挥着不可替代的作用。然而，传统硅基器件受限于4.42 eV光子能量阈值，难以实现本征日盲特性，同时还存在暗电流高和热稳定性差等瓶颈。中国科学院宁波材料技术与工程研究所硅基太阳电池及宽禁带半导体团队在叶继春研究员与张文瑞研究员的带领下，以镓系超宽禁带半导体氧化物(Ga2O3和ZnGa2O4)为核心材料，围绕其本征日盲特性和耐极端环境等优势展开攻关，在缺陷调控、器件设计和系统应用方面取得系列研究进展。
 
　　针对日盲紫外探测器响应度和响应速度难以协同提升的技术瓶颈，研究团队借鉴缺陷工程思路，发展了调控外延缺陷空间分布与表面缺陷钝化技术，有效提高了光生载流子的选择性输运和快速收集能力，显著提升了金属-半导体-金属型日盲紫外探测器件性能(光响应度>104 A/W，探测能力>1016 Jones，紫外-可见抑制比>104)，并实现了日盲紫外信号的成像展示(如图1)。相关成果发表在学术期刊ACS Applied Materials & Interfaces和Materials Today Physics上(ACS Appl. Mater. Interfaces 2023, 15, 10868, DOI: 10.1021/acsami.3c00124; Mater. Today Phys. 2023, 38, 101280, DOI: 10.1016/j.mtphys.2023.101280)。
 
　　面向探测器件的低功耗和自驱动应用需求，研究团队利用能带工程设计和构建了4H-SiC/ZnGa2O4和p-NiO/i-Ga2O3/n-Ga2O3异质结自供能日盲紫外探测器。其中，4H-SiC/ZnGa2O4器件实现了零偏压工作，获得0.115A/W的高响应度，量子效率高达58.4%，并且器件在无外接偏压的条件下，成功完成了光通信功能验证。进一步研发了面向弱光探测的ε-Ga2O3/BaSnO3异质结雪崩光电探测器，在46.5V反向偏压下实现1.5×104 A/W的超高响应度，雪崩增益达1.6×106，创下同类器件性能纪录(如图2)。该成果为深空探测等极端环境下的弱光信号检测提供了创新解决方案。相关成果发表在学术期刊Applied Physics Letters、ACS Applied Materials & Interfaces和Materials Today Physics上(Appl. Phys. Lett. 2023, 123, 201104, DOI: 10.1063/5.0178815; ACS Appl. Mater. Interfaces 2025, DOI: 10.1021/acsami.5c00309；Mater. Today Phys. 2024, 42, 101385, DOI: 10.1016/j.mtphys.2024.101385)。
 
　　研究团队进一步探索日盲紫外探测器在保密通信中的应用，构建了p-NiO/n-ZnGa2O4异质结场效应晶体管，并发现栅压调控光电流极性切换现象。该器件在0/40 V栅压调控下，光电流实现了34.53 μA/-164.08 μA的可逆切换。基于此特性，团队设计了光电异或逻辑门方案，以栅极电压和日盲紫外光作为输入、漏源电流作为输出。通过调控栅极电压对光信号进行编码，使通信信号被截获，若无正确的加密信号，接收方仍无法解析原始光信息，从而实现信息的动态加密，有效确保数据传输的安全性(如图3)，相关成果发表在学术期刊ACS Photonics上(ACS Photonics 2025, DOI: 10.1021/acsphotonics.4c02509)。
 
　　未来，研究团队将持续深化镓系超宽禁带半导体材料与器件的基础研究，加快推动新型紫外探测器的产业化应用，助力我国在高性能光电探测领域的技术突破与工程实践。上述研究成果得到了国家自然科学基金(62204244、62304227)、中国科学院人才项目、浙江省自然科学基金(LZ21F040001、LQ23F040003、LQ23F040005)、宁波市甬江引才工程科技创新团队(2021A-046-C)等项目的资助。
 

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（蜂耘仪器仪表网 责任编辑：似也）

2025-03-26 13:54
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来源：中国科学院宁波材料技术与工程研究所
中国科学院宁波材料技术与工程研究所硅基太阳电池及宽禁带半导体团队在叶继春研究员与张文瑞研究员的带领下，以镓系超宽禁带半导体氧化物(Ga2O3和ZnGa2O4)为核心材料，围绕其本征日盲特性和耐极端环境等优势展开攻关，在缺陷调控、器件设计和系统应用方面取得系列研究进展。

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