引言

紫外光譜的波長覆蓋范圍為100 nm至400 nm。其中，315 -400 nm為近紫外（UVA）波段，280 -315 nm為中紫外（UVB）波段，100 -280 nm為深紫外（UVC）波段。太陽輻射中的深紫外光會(huì)被大氣層吸收，導(dǎo)致地球表面不存在深紫外光，因此該波段也被稱為“日盲”波段?！叭彰ぁ辈ǘ危ㄍǔＶ敛ㄩL<290 nm）的光探測(cè)有著廣泛的用途，包括深紫外輻射監(jiān)測(cè)、火焰感應(yīng)、火箭和導(dǎo)dan預(yù)警、非視距光通信以及環(huán)境監(jiān)測(cè)等。尤其是2020年COVID-19疫情的爆發(fā)，加快推進(jìn)了紫外線消毒在衛(wèi)生安全防疫總的應(yīng)用。經(jīng)多方驗(yàn)證，深紫外線消毒起到良好的滅菌效果，但同時(shí)也要注意深紫外光屬于不可見光，在紫外線是否處于開啟狀態(tài)和輻射能量衰減情況等方面，需要實(shí)時(shí)監(jiān)控。并且，深紫外光的光子能量強(qiáng)，人長時(shí)間經(jīng)受紫外線消毒光源的照射會(huì)產(chǎn)生如色素沉積、皮膚損傷以及眼jiao膜損傷等問題。因此，基于以上兩方面原因，深紫外探測(cè)技術(shù)顯得尤為重要。

第三代半導(dǎo)體材料具有更寬的禁帶寬度、更高的導(dǎo)熱率、更高的抗輻射能力和更大的電子飽和速率等特性。眾多材料例如GaN、AlGaN、SiC、BN等，已被用于深紫外探測(cè)技術(shù)的研究。一些學(xué)者也采用了金屬氧化物半導(dǎo)體材料，例如ZnO、Ga2O3、TiO2、SnO2等，取得了很多成果并發(fā)表于國際期刊。但不同技術(shù)路線下的深紫外探測(cè)性能依然存在很多問題，如響應(yīng)度低、開關(guān)速率慢、波長響應(yīng)特性不好、材料性質(zhì)不穩(wěn)定或制備工藝復(fù)雜等。

近幾年，針對(duì)深紫外探測(cè)的市場(chǎng)需求和光電探測(cè)技術(shù)中的常見問題，ZG科學(xué)院半導(dǎo)體研究所聯(lián)合荷蘭Delft理工大學(xué)、清華大學(xué)等研究機(jī)構(gòu)，研發(fā)了一款高響應(yīng)度、可控恢復(fù)及性能穩(wěn)定的WO3/AlGaN/GaN基多異質(zhì)結(jié)深紫外探測(cè)器芯片。多項(xiàng)成果分別發(fā)表在Journal of Materials Chemistry C、Optics Express、Applied Physics Express等期刊上。

內(nèi)容

成果被選為JMCC期刊內(nèi)封面文章

（inside back cover）

相關(guān)研究成果“A high responsivity and controllable recovery ultraviolet detector based on a WO3 gate AlGaN/GaN heterostructure with an integrated micro-heater”發(fā)表在一區(qū)期刊“Journal of Materials Chemistry C”上，并被期刊選為內(nèi)封面文章（inside back cover）。文章的共同一作為荷蘭Delft理工大學(xué)的Jianwen Sun和中科院半導(dǎo)體所的張碩，文章的共同通訊作者為ZG科學(xué)院半導(dǎo)體研究所的詹騰和伊?xí)匝?，以及荷蘭Delft理工大學(xué)的Pasqualina M. Sarro和Guoqi Zhang。

項(xiàng)目合作團(tuán)隊(duì)報(bào)道了“帶集成微加熱絲的WO3/AlGaN/GaN多異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的高響應(yīng)度、可控恢復(fù)紫外（UV）光電探測(cè)器”。該紫外探測(cè)器在240 nm處的峰值響應(yīng)度為1.67×104 A/W，響應(yīng)截止波長為275 nm，如圖1所示。并創(chuàng)新性的提出了采用單脈沖加熱復(fù)位（mono-heating reset，MHR）的方法能夠消除半導(dǎo)體光電探測(cè)器中常見的持久光電導(dǎo)效應(yīng)（PPC）。在268 nm紫外光照撤離后，立即向集成微加熱絲施加適當(dāng)?shù)拿}沖電壓，隨即在芯片表面產(chǎn)生一個(gè)熱脈沖，操作后的探測(cè)器恢復(fù)時(shí)間從幾小時(shí)縮短到幾秒鐘，并且對(duì)紫外探測(cè)器使用過程中的響應(yīng)度和穩(wěn)定性沒有負(fù)面影響，如圖2所示。探測(cè)器的深紫外波段選擇性響應(yīng)、高穩(wěn)定性、可控恢復(fù)性以及快速工藝制造，使得GaN基光電探測(cè)器在眾多領(lǐng)域具有極大的應(yīng)用潛力，如紫外消毒燈監(jiān)控、水質(zhì)檢測(cè)、火災(zāi)監(jiān)測(cè)、導(dǎo)dan和火箭預(yù)警、非視距光通信等。

圖1 深紫外波段選擇性探測(cè)

圖2 采用MHR方式對(duì)探測(cè)器進(jìn)行瞬態(tài)恢復(fù)

圖3 不同紫外波長、輻射強(qiáng)度下的紫外連續(xù)檢測(cè)

圖3中系統(tǒng)的展示了該紫外探測(cè)器分別在395nm和268 nm波長下的連續(xù)響應(yīng)和恢復(fù)曲線。395 nm紫外光下，采用 200 μW/cm2、380 μW/cm2、520 μW/cm2三種不同的高照射強(qiáng)度；268 nm紫外光下，采用0.28 μW/cm2、0.79μW/cm2、8.7 μW/cm2三種不同的低照射強(qiáng)度。從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來看，均取得了良好的探測(cè)性能。

此外，成果“Suspended tungsten trioxide (WO3) gate AlGaN/GaN heterostructure deep ultraviolet detectors with integrated micro-heater”則系統(tǒng)闡述了該紫外探測(cè)器的工作機(jī)制、測(cè)試方式以及集成加熱絲的工作狀態(tài)，成果發(fā)表在國際光學(xué)期刊Optics Express上，論文的共同DY作者為荷蘭Delft理工大學(xué)Jianwen Sun和ZG科學(xué)院半導(dǎo)體研究所的詹騰，文章的共同通訊作者為荷蘭Delft理工大學(xué)的Pasqualina M. Sarro和Guoqi Zhang以及清華大學(xué)的劉澤文。

探測(cè)器的紫外響應(yīng)測(cè)試主要采用北京卓立漢光公司的DSR200設(shè)備系統(tǒng)，該設(shè)備提供150W的氙燈光源，測(cè)試波長范圍覆蓋200 nm-1100 nm。配合Keithley 2400電源以及電腦軟件，進(jìn)行探測(cè)器的全光譜響應(yīng)曲線測(cè)試。探測(cè)器紫外波段的全譜響應(yīng)曲線如圖5所示。圖6為探測(cè)器在集成加熱絲工作下的熱成像圖。

圖4 光學(xué)系統(tǒng)測(cè)試示意圖

圖5 紫外探測(cè)器在紫外波段的光譜響應(yīng)曲線

圖6 紫外探測(cè)器在集成加熱絲下的芯片加熱狀態(tài)

文章信息

1. “A high responsivity and controllable recovery ultraviolet detector based on a WO3 gate AlGaN/GaN heterostructure with an integrated micro-heater”, Journal of Materials Chemistry C, Vol. 8, Iss.16, pp.5409-5416, 2020. DOI: 10.1039/d0tc00553c

2. “Suspended tungsten trioxide (WO3) gate AlGaN/GaN heterostructure deep ultraviolet detectors with integrated micro-heater”, Optics Express, Vol.27, Iss.25, pp.36405-36413, 2019. DOI: 10.1364/OE.27.036405

項(xiàng)目成果得到了科技部國家ZD研發(fā)計(jì)劃2017YFB0403100, 2017YFB0403105, 2017YFB0403103的支持，以及北京卓立漢光儀器有限公司在光學(xué)測(cè)試上提供的幫助。