光电探测器是光电子器件的核心元器件之一，在光电系统中起到将光信号转变为电信号的作用。200-280 nm波段的太阳辐射因被大气层吸收和散射而不能到达地球表面，被称为日盲波段。工作于日盲波段的探测器可以避免自然光的干扰，具有很高的信噪比和很低的虚警率，在通讯、导弹预警、火灾探测、导航定位和电晕放电检测等领域有广泛的应用前景，因此成为了光电探测领域的研究重点之一。氧化镓（Ga₂O₃）的禁带宽度为4.9 eV，响应光谱覆盖大部分日盲波段，还具有化学和热稳定性好、易于大面积制备、击穿电场强度高等优点，因此Ga₂O₃被视为制备日盲探测器的理想材料。此外，Ga₂O₃用于日盲探测无需进行带隙调控，因此可以避免带隙调控过程的成分不均一和分相等问题。但现实中被探测目标在日盲区的信号非常微弱，如火焰探测中日盲信号强度只有nW/cm²量级，探测器对如此微弱信号的响应往往淹没在噪声中难以识别。虽然可以通过滤波法、双路消噪法、锁定接收法、取样积分法等对信号进行识别，但大大增加了成本，也降低了探测速度。尤其对于日盲成像、通讯和位置追踪等应用来说，需要对信号实时测量，而对微弱响应信号的测量是一件困难的事情，其噪声和干扰将影响到测量系统的分辨率、动态范围、信噪比和重复性。因此，提高Ga₂O₃探测器在微弱日盲信号下的响应，是其实用化的关键。

郑州大学金刚石光电材料与器件课题组杨珣、单崇新等人提出通过利用Ga₂O₃构建超薄吸收介质的垂直肖特基结构，以减小载流子输运距离，从而解决低光强下外量子效率衰减问题。同时为了保证光吸收效率，设计了Al/Al₂O₃/Ga₂O₃结构，利用多光束干涉在超薄的Ga₂O₃（< λ/4n）薄膜中实现了高光吸收效率。该结构能有效抑制低光强下外量子效率的衰减，也能提高相同光强下的光生子载流子密度，从而提高Ga₂O₃探测器在微弱日盲信号下的响应。最终利用该结构实现高灵敏度的Ga₂O₃日盲探测阵列，并应用于微弱日盲信号（nW/cm²）的成像、光轨迹检查等。该研究结果有助于促进日盲区微弱信号检测与成像技术的发展，也有助于动推动Ga₂O₃日盲探测器的实用化进展。

图1. Al/Al₂O₃/Ga₂O₃结构的光学特性。(a)入射光在此结构中的反射的示意图，该结构包括厚度为h的Ga₂O₃膜、Al₂O₃缓冲层和金属Al。(b) Ga₂O₃、Al和Al/Al₂O₃ (5 nm)薄膜的透过、吸收和反射光谱。(c) Al和Ga₂O₃的折射率。PEN/Al/Al₂O₃/Ga₂O₃结构中不同Ga₂O₃厚度测量(d)和计算(e)的反射谱。(f) Al/Al₂O₃/Ga₂O₃结构在254 nm光照射下测量和计算的反射率随Ga₂O₃厚度的变化。(g)不同Ga₂O₃厚度的Al/Al₂O₃/Ga₂O₃结构中的电场分布。(h)积分电场强度与Ga₂O₃厚度的关系。(i)Ga₂O₃厚度为20 nm 时的电场空间分布。

图2. PEN/Al/Al₂O₃/Ga₂O₃/graphene柔性光电探测器阵列。7×7光电探测器阵列示意图（a-i）和照片（a-ii）。(b)不同Ga₂O₃厚度的光电探测器的响应度。(c) Al/Al₂O₃/Ga₂O₃/graphene的能带结构图。

图3. Al/Al₂O₃/Ga₂O₃(20 nm)/graphene光电探测器的光电性能。(a)10 V偏压下的响应谱。(b)暗态和不同光强（254nm）下的I–V特性。（c）光电流随光强的幂指数拟合。(d)响应度和EQE与光强度的关系。(e)光电探测器的瞬态光响应。(f)光电探测器的周期稳定性。不同光强(g)和不同电压(h)下的I–t曲线。

图4. 柔性光电探测器阵列的电稳定性。(a)器件在暗态和254 nm光照射下不同弯曲角度的输出电流。(b)器件在不同弯折次数下的I–V和(c) I–t曲线。

图 5. 光电探测器阵列应用于光成像、光斑强度的空间分布和实时光轨迹检测。(a)各像素暗电流和光电流的统计结果。(b)探测器阵列的成像应用展示。(c)光电探测器的光斑强度空间分布检测演示。(d)探测器阵列的实时光轨迹检查演示。

杨珣，副教授，硕士研究生导师。博士毕业于中科院长春光学精密机械与物理研究所，2017年入职郑州大学物理学院金刚石光电材料与器件课题组。主要从事宽禁带半导体光电器件、金刚石材料研究。近年来在Adv. Mater.，Mater. Horiz.，Mater. Today Phys.，Nano Res.，Carbon等期刊以第一作者或通讯作者发表论文20余篇，先后主持国家自然科学基金青年项目、中国博士后科学基金特别资助等项目。

单崇新，郑州大学副校长、物理学院院长、教授、博士生导师。国家杰出青年基金获得者、中国青年科技奖获得者。主要从事宽禁带半导体光电材料与器件研究工作，已发表学术论文300余篇，主持国家重大科研仪器研制项目、国家自然科学基金重点项目等。

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