近日，東南大學電子科學與工程學院徐春祥教授團隊在日盲雪崩光電探測領域取得重要進展，相關研究成果以“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域的廣泛應用，備受學界和業(yè)界關注。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度和增益潛力而成為研究熱點。盡管在器件設計和材料工程方面已取得一定進展，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性能的關鍵策略。此外，實現(xiàn)低噪聲、高增益的可靠器件設計，也是需要重點攻克的技術難點。 

成果簡介

徐春祥教授團隊通過設計一維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，有效增強了光吸收效率，同時克服了傳統(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，導帶階從1.49 eV提高至2.15 eV，同時避免了價帶勢壘的引入，從而構(gòu)建出具有高導帶階的單極勢壘結(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現(xiàn)了2.2 × 105 A/W的響應度和3.1 × 1016 Jones的探測率，雪崩增益達到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），該器件在性能指標上表現(xiàn)出明顯優(yōu)勢。此外，該探測器具有6.4 ms的響應時間和102的日盲/可見光響應比，展現(xiàn)出卓越的抗太陽光干擾能力，為日盲區(qū)光電探測技術的發(fā)展提供了新的思路。

該論文由東南大學電子學院徐春祥教授團隊發(fā)表，第一作者為博士生董建奇，東南大學徐春祥教授、石增良副教授和暨南大學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基金委面上/重點項目和江蘇省基礎研究計劃的資助。 

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）