前沿 | 真空紫外（λ<200 nm）探测器阵列

研究背景

      太阳风暴是太阳耀斑和日冕物质抛射现象，会引起地球的电离层扰动和磁暴等，从而可能会造成巨大的社会经济损失。因此，需要对太阳活动进行实时监测来预防灾害性空间天气时间。具有极低太阳背景噪声的真空紫外光（VUV，10-200 nm）成像探测是监测太阳活动的有效手段。硅基VUV探测器需要一个结构复杂的滤光系统来去除可见光干扰，并且其抗辐照性能较差。因此，研究者们一直致力于探索新型抗辐照VUV 探测器。近年来，超宽禁带半导体具有紫外光谱选择响应和高耐辐照性能等优点，被认为是具有潜力的VUV探测材料。然而，目前超宽禁带半导体紫外探测仍然停留在基础研究层面，并且集中于原型单点器件。开展超宽禁带半导体成像探测阵列研究是未来发展的趋势。

论文导读

      真空紫外（VUV, 10-200 nm）成像探测具有极低的太阳背景噪声，是实时监测太阳风暴的有效手段。超宽禁带半导体具有紫外光谱选择响应和高耐辐照性能等优点，被认为是具有潜力的VUV探测材料。近日，中山大学郑伟研究团队报导了一种基于超宽禁带半导体氮化铝的8×8无滤波VUV探测器阵列，是迄今为止最短截止波长（203 nm）的成像阵列。器件阵列采用无需刻蚀的多步光刻和电极镀制工艺制备得到。实验结果表明，该器件阵列对VUV光优异的响应性能和良好的成像能力。这项工作证明了超宽禁带半导体具有VUV成像探测的潜力。该研究成果于2024年3月13日以“Vacuum-ultraviolet (λ<200 nm) photodetector array”为题发表于 PhotoniX 期刊。

主要研究内容

      具有纤锌矿结构的氮化铝（AlN）具有6.2 eV的超宽直接带隙，其正好对应于VUV波段200 nm的长波限。这一特性使得其成为无滤波VUV探测器的最佳候选材料。在前期的研究中，中山大学郑伟研究团队已成功制备了AlN基VUV探测器的单点和线列器件。相比于报导的AlN基器件，其显示出理想的响应度、高外量子效率，以及极快的响应速度等优势，得益于良好的AlN薄膜质量以及光电二极管型器件结构。在此基础上，本工作首次制作了基于Pt/AlN/SiC/Ti/Au垂直结构的8×8真空紫外探测器阵列。器件的电极被设计为8×8个阳极（顶电极）以及一个共阴极（底电极），采用多步激光直写光刻工艺制成，无需刻蚀。探测器阵列对VUV光具有优异的选择性响应（截止波长为203 nm），极低暗电流密度（2.85×10^-11 A·cm^-2@-2 V），高响应度（0.054 A·W^-1@ 0 V），超短上升和下降时间（13 ns和73.4 ns）。成像测量中显示的VUV图像边界清晰，明暗对比明显，表明该探测器阵列具有良好的成像能力，可用于高信噪比、高响应速度的成像应用。这些结果为基于超宽禁带半导体的VUV成像探测器的研制以及在VUV探测中的实际应用提供了借鉴。

技术突破

      目前报导的大多数宽禁带半导体基短波紫外探测器阵列仍集中在金属-半导体-金属光电导结构。虽然其能通过增益机制实现超高光响应，但是非平衡载流子长的弛豫时间会导致器件较长的响应时间，并且需要外加偏压工作。相比于平面光电导结构，光电二极管结构由于内建电场具有暗电流低，响应速度快，无需外加偏压的优点，能够用于高信噪比和高速探测。因此，本工作的器件阵列采用了Pt/AlN/SiC/Ti/Au光电二极管结构。使用Pt作为空穴收集层，SiC作为电子收集层，构建内建电场。光电测试结构表明器件展现出极低的暗电流密度（2.85×10^-11 A·cm^-2@-2 V）和高响应速度（上升时间13 ns，下降时间73.4 ns），这些指标比目前报道的短波紫外光电探测器阵列高出3-4个数量级。

      本文首先报导了基于超宽禁带半导体的VUV探测器阵列。器件的电极被设计为8×8个阳极（顶电极）以及一个共阴极（底电极），采用多步激光直写光刻工艺制成。此外，为了提高光生载流子收集效率，感光阵元上覆盖细栅线金属。并且为了使非感光阵元的AlN区域不吸收VUV光减小串扰，采用VUV光不透过的光刻胶将其覆盖。探测器阵列的制作过程不需要蚀刻，可以提高器件的制作效率和精度。制备的探测器阵列的照片和显微图像可以清晰见到多次光刻之后的电极图案，证明该工艺良好。该结果有望推动基于超宽禁带半导体的VUV成像检测的实际应用。

观点评述

      本文首次报道了无滤波的超宽禁带半导体基VUV 8×8探测器阵列。探测器采用Pt/AlN/SiC/Ti/Au二极管结构，其对VUV光具有良好的选择性响应，并且表现出极低暗电流（1.70×10^-11 A·cm^-2）、高的响应度（0.054 A·W^-1）和较快的响应速度（上升时间13 ns，下降时间73.4 ns）。器件是采用多步光刻工艺制成的，无需刻蚀，其工艺简单并且具有较高的可靠性。成像的VUV图形边界清晰，明暗对比明显，与实物图像具有非常高的相似度，体现了该器件具有较好的成像能力。本工作为超宽禁带半导体基VUV成像探测器的研制提供了借鉴，并且有效促进了其在VUV探测的真实应用。虽然本工作所报导的器件像素仍较少（8×8），但是这是第一份基于带隙大于6.0 eV半导体的VUV成像探测器报导。未来的工作也将围绕器件像素的增多和匹配读出电路的搭建进行，以期研制出全链条超宽禁带半导体基VUV成像系统。

主要作者

      郑伟（通讯作者），中山大学材料学院副教授，博导，广东省杰青。郑伟老师团队一直致力于真空极紫外光探测方向的研究。主持搭建了国内首个真空紫外（120-200 nm）光电测试平台。依托这一平台，开展以下研究：超宽禁带半导体晶态材料的生长和材料物理研究（如氮化铝、氮化硼、金刚石、氧化镓），真空极紫外微光探测器和极紫外相机研究。在包括Nature Communications、Advanced Materials、Advanced Functional Materials、ACS Nano、Nano Letters等期刊杂志上以第一作者或通讯作者发表研究论文114篇，主持8项国家省部级项目。

      朱思琪（共同一作，第一），中山大学材料学院博士研究生。2021年6月获得中山大学材料物理专业学士学位，现直接攻读博士学位。研究方向为宽禁带半导体物理和光电探测器，以第一作者在PhotoniX、ACS Photonics、Applied Physics Letters等期刊发表学术论文7篇。

      林卓耿（共同一作，第二），中山大学材料学院博士研究生。2019年获得华南理工大学学士学位。研究方向是超宽禁带半导体阵列器件。

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