基于能带偏移工程的高灵敏度快速响应日盲光电探测器及其运动追踪应用

研究人员针对日盲紫外光谱区域缺乏兼具快速响应(<1ms)和高灵敏度(>0.1AW-1)的单像素成像探测器这一技术瓶颈，创新性地设计出Ga2O3/AlN/AlGaN:Si异质结自供电日盲探测器。通过极化场诱导能带弯曲形成空穴势阱，该器件实现了0.73AW-1的高响应度和56μs的快速衰减时间，成功演示了256×256分辨率的静态指纹和动态目标成像，为日盲成像技术发展提供了新思路。

　　

在军事和民用领域，日盲紫外(波长200-280nm)探测技术因其在大气层中被完全吸收的特性，成为导弹制导、火灾预警等应用的重要选择。然而传统硅基探测器需要附加滤光片，而宽禁带半导体器件又面临响应速度与灵敏度不可兼得的矛盾。这种"鱼与熊掌"的困境严重制约了实时成像技术的发展。

《Nature Communications》最新研究展示了一种突破性解决方案。东北师范大学Liu Yichun团队通过能带偏移工程，将Ga₂O₃光敏层、AlN势垒层和N极性AlGaN:Si接触层巧妙组合，利用AlN层的自发极化效应，在界面处形成空穴限制势阱。这种设计既通过载流子倍增机制提升响应度，又借助内建电场加速电荷提取，最终实现了性能指标的协同优化。

研究采用分子束外延(MBE)生长N极性AlGaN:Si薄膜，通过球差校正透射电镜(AC-TEM)确认了[-201]β-Ga₂O₃//[001]AlN的异质外延关系。结合X射线光电子能谱(XPS)和密度泛函理论(DFT)计算，证实了1.27eV的导带偏移和0.09eV的价带偏移。器件制作采用标准光刻和干法刻蚀工艺，电极经850℃快速退火形成欧姆接触。

表面极性与异质外延关系

通过高分辨率XRD和AFM分析，证实AlGaN:Si层继承了AlN模板的N极性特征，螺旋位错密度低于3×10⁸cm^-2。Ga₂O₃在AlN上的外延生长呈现锯齿形界面结构，晶格失配仅2.6%-6.2%。

日盲光电探测器性能

器件在零偏压下实现3.5×10⁵的明暗电流比和2.9×10¹¹Jones的探测率。瞬态响应测试显示60ns的上升时间和56μs的下降时间，支持800bit/s的光通信速率。

双边能带偏移调控

TCAD模拟显示AlN/AlGaN:Si界面负极化电荷产生8×10⁴V/cm的强电场，在价带形成0.28eV的空穴势阱，使外量子效率(EQE)达到369%。

高分辨率单像素成像

基于哈达玛矩阵调制，系统成功重建256×256像素的指纹图像，并实现运动飞机的实时追踪成像，验证了器件在动态场景中的应用潜力。

这项研究开创性地将极化效应引入nBn++结构，通过双边能带工程设计解决了响应度与速度的矛盾关系。相比传统阵列探测器，单像素成像系统在成本、体积和适应性方面展现出显著优势。特别是56μs的响应速度，使得动态目标追踪成为可能，为日盲成像技术在安防监控、航天导航等领域的应用开辟了新途径。研究提出的极化场调控策略，也为其他宽禁带半导体光电器件的设计提供了普适性思路。