华东师范大学：基于β-Ga2O3的可穿戴紫外探测器
【研究背景】
半导体材料的光电耦合特性及其信息功能器件一直是凝聚态物理领域的国际前沿和研究热点。作为第三代半导体的典型代表，β-Ga2O3稳定性好，具有约4.9 eV (253nm)的超宽光学带隙，在紫外-可见-近红外(UV-NIR)区域具有高透过率等特性，可以广泛应用于高功率器件以及紫外光电探测器等。因此，它们能够有效地屏蔽太阳辐射和人造光源带来的影响，非常适用于制备日盲紫外光电探测器。特别地，随着新型冠状病毒肺炎的快速传播，UVC(100-280nm，日盲波段)杀菌装置被广泛应用于公共场所的消毒杀菌。尽管报道表明UVC能够通过破坏其DNA的方式杀死病毒，但是直接暴露于UVC可能会导致健康问题，如皮肤损伤和视网膜损伤等。因此，监测环境中的UVC辐射十分必要，日盲紫外光电探测器(SBPD)能够及时有效地检测到UVC辐射。这样β-Ga2O3因其超宽的带隙成为制备SBPD的有力候选材料之一。然而，在传统基片(如蓝宝石、硅等)上设计的SBPD无法满足便携、可穿戴和可弯曲等新的需求。因此，设计和制备可穿戴的柔性日盲紫外探测器件迫在眉睫。
【成果简介】
近日，华东师范大学物理与电子科学学院胡志高教授、张金中副研究员团队开展了基于压印转移氧化镓薄膜的柔性日盲紫外光电探测器的应用研究，该器件具有低暗电流(~1.7pA)、高开关比(>103)、快的上升(τr1 = 0.079s和τr2 = 0.413s)和下降(τd1 = 0.029s和τd2 = 0.316s)响应时间等性能。在此基础上该团队制备了基于氧化镓SBPD的柔性图像传感器，其表现出良好的成像能力和高分辨率。此外，设计制造的UVC报警器能够实时监测环境中的UVC辐射，有望应用于COVID-19相关领域。另外，该课题组前期还开展了p型氧化镓薄膜的研究工作。具体地，通过优化氧分压制备了Mg掺杂的β-Ga2O3-δ薄膜并构筑了SBPD器件，具有优异的探测器性能。相关成果分别以“Flexible Solar-Blind Photodetectors Based on β-Ga2O3Films Transferred by a Stamp-Based Printing Technique”和“High Quality P-Type Mg-Doped β-Ga2O3-δFilms for Solar-Blind Photodetectors”为题连续发表在国际著名期刊《IEEE Electron Device Lett.》上(DOI: 10.1109/LED.2022.3207314)和(DOI: 10.1109/LED.2022.3151476)。
【图文介绍】
图1. (a) 采用PLD技术在(100)Si衬底上沉积β-Ga2O3薄膜的生长流程示意图。(b) 从Si衬底转移β-Ga2O3薄膜到PET衬底上的工艺流程图。β-Ga2O3/Si和β-Ga2O3/PET和a-Ga2O3/PET的 (c) XRD谱和 (d) XPS全谱。(e) 转移前和 (f) 转移后β-Ga2O3薄膜的原子力显微镜图像(扫描范围：2um×2um；高度范围：0-25nm)。
图2.(a) 基于β-Ga2O3/PET的柔性SBPD的响应光谱。插图：器件的显微镜照片。(b) 器件的光电流和响应度随着照明功率密度的变化。所制备的上述器件 (c) I-V和 (d) I-t曲线。基于a-Ga2O3/PET的柔性SBPD的 (e) I-V和 (f) I-t曲线。
图3.(a) 基于β-Ga2O3/PET的柔性SBPD在不同弯曲角度(0、60、120和180°)的照片。(b) 器件在10V下，不同弯曲角度的I-t曲线。(d) 器件的疲劳测试。
图4.(a) 柔性成像传感器阵列的照片。(b) 在UVC照明下，光通过上方掩模版，下方“ECNU”显示了从传感器阵列获取的相应图像。(c) 基于β-Ga2O3/PET的柔性SBPD的可穿戴UVC报警器的电路图。当UVC (d) 关闭和 (e)打开时，报警器在衣服上相应的照片。
