氧化釩（VOx）薄膜通常與硅基讀出集成電路（ROIC）集成，以實(shí)現(xiàn)信號(hào)轉(zhuǎn)換和處理。然而，硅基電子器件在惡劣環(huán)境下可能面臨重大挑戰(zhàn)。這一問題可以通過采用氮化鎵（GaN）基電子器件和/或光電器件作為讀出器件來解決，因?yàn)榕c硅基器件相比，GaN器件對(duì)高能輻射的耐久性更優(yōu)。此外，晶圓級(jí)單晶GaN具有高溫穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性，因此可通過在GaN基電子器件上生長(zhǎng)各種測(cè)輻射熱敏材料來制備紅外傳感器。
據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近期，韓國(guó)蔚山科學(xué)技術(shù)院（UNIST）的研究團(tuán)隊(duì)制備了由VO?測(cè)輻射熱計(jì)與GaN發(fā)光二極管（LED）構(gòu)成的異質(zhì)結(jié)構(gòu)器件，并研究了GaN LED作為測(cè)輻射熱計(jì)讀出單元的可行性。盡管GaN LED在不同溫度下均保持穩(wěn)定的電學(xué)和光學(xué)性能，但是VO?覆蓋層因溫度誘導(dǎo)產(chǎn)生的金屬-絕緣體相變（MIT）現(xiàn)象，可通過LED的可見光發(fā)射強(qiáng)度得以體現(xiàn)。通過將VO?與LED結(jié)構(gòu)集成，還可以構(gòu)建具有獨(dú)立可尋址像素的測(cè)輻射熱計(jì)陣列，從而借助嵌入式光電讀出方法實(shí)現(xiàn)空間分辨熱傳感。相關(guān)研究?jī)?nèi)容以“Long wavelength infrared sensor array using VO? microstructures fabricated on visible GaN LED”為題發(fā)表在Scientific Reports期刊上。
圖1展示了本研究利用VO?/GaN LED異質(zhì)結(jié)構(gòu)制備可見光至紅外（IR）波段探測(cè)器的策略。離散VO?微結(jié)構(gòu)陣列可在薄膜LED上制備。該LED生長(zhǎng)于c-Al?O?襯底上，該襯底由n-GaN層、InxGa1?xN/GaN多量子阱（MQW）及p-GaN層構(gòu)成。本研究采用了綠色電致發(fā)光（EL）LED，其波長(zhǎng)范圍531 ~ 543 nm，導(dǎo)通電壓2.3 V。VO?微結(jié)構(gòu)直接形成于頂部p-GaN表面，每個(gè)VO?像素與底層LED直接電連接，無(wú)需任何金屬中間層。圖1插圖展示了VO?/GaN LED異質(zhì)結(jié)構(gòu)器件的單像素暴露于外部熱源時(shí)的工作示意圖。該LED在2.5 V的低偏置電壓下工作，并采用脈寬調(diào)制（PWM）。
圖1 由VO?陣列組成的長(zhǎng)波紅外傳感器示意圖（該陣列制備于可見光InxGa1?xN/GaN LED之上）
該紅外傳感器陣列正常工作的一個(gè)關(guān)鍵條件是VO?像素具有均勻的金屬-絕緣體相變（MIT）特性。圖2a顯示了沉積在GaN LED上的VO?層的典型表面形貌。圖2b顯示了VO?/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)的場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡（FE-SEM）橫截面圖像。圖2c和圖2d分別為O1s和V2p3/2峰的X射線光電子能譜（XPS）核心能級(jí)譜。
圖2 沉積于GaN上的VO?結(jié)構(gòu)層的化學(xué)和結(jié)構(gòu)特征
為開展該器件分析，研究人員對(duì)VO?/LED異質(zhì)結(jié)構(gòu)像素的電學(xué)和EL特性進(jìn)行了表征。圖3a和圖3b分別展示了不同溫度下的發(fā)光圖像和對(duì)應(yīng)的EL光譜。EL光譜的主峰位置和半高全寬（FWHM）如圖3c所示。圖3d顯示了VO?/LED像素在不同溫度下的電流-電壓（I - V）曲線。圖3e顯示了EL強(qiáng)度與VO?/LED像素的電阻率隨溫度的變化關(guān)系，二者均表現(xiàn)出良好的線性特征。
圖3 VO?/GaN LED單像素在不同溫度下的工作情況
除了單像素外，研究人員還研究了3 × 3像素陣列形式下VO?/LED像素的EL特性。本研究中，金屬電極和LED外延層均為共享結(jié)構(gòu)，但VO?微結(jié)構(gòu)彼此隔離，以實(shí)現(xiàn)熱輻射的單獨(dú)探測(cè)。首先，研究人員通過樣品下方的熱板向每個(gè)像素施加均勻的熱輻射；然后利用數(shù)碼單反相機(jī)同時(shí)記錄不同位置多個(gè)像素的亮度變化，相關(guān)結(jié)果如圖4所示。接著，研究人員進(jìn)一步引入加熱棒來操控3 × 3像素陣列，加熱元件可為單個(gè)VO?像素提供局部熱量，相關(guān)結(jié)果如圖5所示。
圖4 均勻加熱條件下，VO?/GaN像素陣列在（a）30 ℃、（b）60 ℃、（c）90 ℃的光發(fā)射
圖5 利用加熱棒從（a）右上、（b）底部中央、（c）與頂部像素平行的不同方向?qū)O?/GaN像素陣列施加局部加熱
綜上所述，這項(xiàng)研究將VO?測(cè)輻射熱計(jì)與GaN LED的光學(xué)讀出器件集成，并研究了它們之間的兼容性。在GaN LED上制備的VO?微像素陣列具有均勻結(jié)構(gòu)和化學(xué)配置，確保了每個(gè)VO?像素的金屬-絕緣體相變（MIT）特性的一致性。在VO?制備過程中，GaN LED保持固態(tài)，其電氣性能和EL特性未受影響。VO?微像素具有良好的MIT特性，電阻溫度系數(shù)（TCR）達(dá)2.4%/K。VO?的溫度誘導(dǎo)MIT通過LED以光學(xué)方式顯示，異質(zhì)結(jié)構(gòu)器件的光發(fā)射強(qiáng)度與電阻成反比。VO?覆蓋層對(duì)LED的導(dǎo)通電壓影響極小，從而使異質(zhì)結(jié)構(gòu)器件在2.5 V的低電壓下穩(wěn)定工作。
同時(shí)，研究人員還展示了無(wú)串?dāng)_的獨(dú)立可尋址VO?/LED異質(zhì)結(jié)構(gòu)陣列，其中VO?微像素制備于共享電極的普通LED上。VO?像素的均勻MIT特性使其可探測(cè)外部熱源的大小和方向。頂部的p-GaN層具有足夠的電阻，可實(shí)現(xiàn)每個(gè)VO?像素的電氣隔離。這些研究成果均表明，VO?與GaN在材料和器件層面具有良好的兼容性。進(jìn)一步考慮其在高能輻射下的材料耐受性，該VO?/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)有望用于開發(fā)適用于太空任務(wù)的多種紅外傳感器。
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https://doi.org/10.1038/s41598-025-15278-0
