鄭州大學：激光刻寫GaN/Ga?O?異質結光探測器陣列

光電探測器，即能夠將光信號轉換為電信號的器件，是光電子系統中的關鍵組件。目前，光電探測器已發展到能夠檢測紅外（IR）、可見光和紫外（UV）波段的光。紫外檢測因其在人類健康、環境監測和安全等領域的廣泛應用而備受關注。例如，可以模擬人體內維生素 D 的合成并消滅細菌。然而，紫外線輻射的暴露也可能導致白內障、皮膚癌和加速衰老等嚴重健康問題。因此，能夠檢測紫外線輻射（提供紫外線輻射暴露信息）的能力，對于人類健康、環境以及各種工業、科學和安全應用至關重要。

目前，硅是紫外線檢測中最廣泛使用的材料。然而，由于其帶隙較小，基于硅的紫外線光電探測器通常需要使用昂貴的濾光片來阻擋可見光和紅外光。解決這一問題的潛在方案是開發基于寬帶隙半導體的光探測器，如 AlGaN、MgZnO、SiC、金剛石或 Ga₂O₃，這些材料僅吸收紫外線輻射。其中，Ga₂O₃ 因其寬帶隙、高化學穩定性和熱穩定性，以及易于制備的特點，成為紫外線檢測的極具前景的選擇。

光探測器在將光信號轉換為電信號方面發揮著關鍵作用，并在通信、成像和傳感等多個領域具有重要應用。然而，光探測器的制備是一個復雜的過程，涉及對表面處理、光刻和沉積技術的精確控制。本研究表明，可以通過激光加工將 GaN 表面轉化為 Ga₂O₃，從而制備 GaN/Ga₂O₃ 異質結。GaN/Ga₂O₃ 異質結展現出良好的重復性、均勻性及零偏壓工作能力，其響應度為 110.22 mA W^?1，檢測率為 5.56 × 10¹¹ jones，外部量子效率達 42.34%。此外，基于 GaN/Ga₂O₃ 異質結的 8×8 光探測器陣列通過激光寫入技術制備，并展示了紫外成像能力。本報告首次報道了利用激光寫入技術制備光探測器陣列的先驅性工作。研究成果為大面積異質結光探測器陣列的制備提供了靈活且可擴展的方法。

在本研究中，研究團隊通過激光處理氧化 GaN 表面，成功證明了制備 GaN/Ga₂O₃ 異質結的可行性。此外，還利用激光刻寫技術成功制備了 8×8 GaN/Ga₂O₃ 異質結光探測器陣列。在零偏壓下，光探測器對紫外線照射表現出強烈的響應，光暗電流比高達 10⁴。光探測器的靈敏度和探測率分別為 110.22 mA W^?1 和 5.56 × 10¹¹ Jones。此外，觀察到這些光探測器具有高度的穩定性和可重復性，可有效用于紫外成像應用。該研究為利用激光刻寫技術開發光探測器陣列提供了新的方法。

圖1. a) 激光刻寫 GaN/Ga₂O₃ 異質結光探測器陣列的示意圖。b) 8×8 紫外檢測陣列的光學圖像。c) GaN/Ga₂O₃ 異質結光探測器的結構圖。

圖2． a) 激光處理前（右）和激光處理后（左）的 GaN 表面 SEM 圖像。b) 氧元素和c) 氮元素的 EDS 映射圖。d) 原生 GaN 和激光處理后 GaN 的 XRD 衍射圖譜。e) 原生 GaN 和激光處理后 GaN（GaN/Ga₂O₃）的拉曼光譜圖。f) 具有“Phy”激光處理圖案的 GaN 的拉曼映射，插圖為對應的光學圖像。