由哈爾濱工業(yè)大學(xué)的矯淑杰研究團隊在學(xué)術(shù)期刊 Small 發(fā)布了一篇名為 Achieving Ultra-Low Dark Current in β-Ga₂O₃ Photoconductive Photodetectors for Anti-Interference Optical Human–Machine Interaction Systems via Gallium Interstitials Engineering（通過鎵間隙工程實現(xiàn)用于抗干擾光學(xué)人機交互系統(tǒng)的 β-Ga₂O₃ 光電導(dǎo)光電探測器的超低暗電流）的文章。

1. 項目支持

這項工作得到了國家重點研發(fā)計劃（2019YFA0705204，2019YFA0705201）和國家自然科學(xué)基金（批準(zhǔn)號：62174042）的資助。

2. 背景

人機交互（Human-Machine Interaction, HMI）系統(tǒng)是物聯(lián)網(wǎng)（IoT）時代的關(guān)鍵技術(shù)，極大地增加了用戶與數(shù)字世界之間的信息交換。基于無線電通信的 HMI 系統(tǒng)由于帶寬和傳輸速率的限制，難以滿足 HMI 系統(tǒng)中日益增長的高通量數(shù)據(jù)傳輸需求。光學(xué)通信，特別是日盲紫外（Solar-blind UV）通信，因其帶寬高、速率快、背景噪聲低、抗干擾能力強等優(yōu)點，在下一代 HMI 系統(tǒng)中潛力巨大。光電探測器的暗電流是制約日盲紫外 HMI 系統(tǒng)穩(wěn)定性和靈敏度的關(guān)鍵因素。高暗電流會降低光電探測器的信噪比，增加系統(tǒng)能耗，并使系統(tǒng)易受隨機噪聲干擾，導(dǎo)致信息交互需要更長的讀取時間和更大的存儲空間。因此用于日盲紫外 HMI 系統(tǒng)通信端的光電探測器通常要求其暗電流遠低于 nA 級別。β-氧化鎵（β-Ga₂O₃）是極具前景的日盲紫外探測材料?，F(xiàn)有 β-Ga₂O₃ 探測器（如 p-n 結(jié)、肖特基結(jié)）雖然能降低暗電流，但通常以犧牲響應(yīng)度為代價。雪崩光電二極管雖性能優(yōu)異但成本高、工藝復(fù)雜。β-Ga₂O₃ 光電導(dǎo)型探測器結(jié)構(gòu)簡單、成本低，且由于電子和空穴有效質(zhì)量差異巨大，具有“掃出效應(yīng)”（sweep-out effect）帶來的內(nèi)稟光電增益，有望實現(xiàn)高響應(yīng)度。然而，其暗電流受本征缺陷（主要是淺施主）顯著影響。

3. 摘要

受高速數(shù)據(jù)傳輸需求的驅(qū)動，開發(fā)具有高性價比且高度靈敏的光電導(dǎo)型光探測器已成為推進光通信系統(tǒng)發(fā)展的關(guān)鍵，從而在人機交互領(lǐng)域中發(fā)揮著重要作用。本研究展示了一種應(yīng)用于抗干擾光學(xué)人機交互系統(tǒng)的 β-Ga₂O₃ 光電導(dǎo)型光探測器，其出色的響應(yīng)度和極低的暗電流歸因于對內(nèi)在缺陷的策略性調(diào)控。通過第一性原理模擬，系統(tǒng)性地闡明了不同生長條件下缺陷的動態(tài)行為，從而實現(xiàn)了具有低濃度淺施主型 Ga 間隙缺陷的 β-Ga₂O₃ 薄膜的精準(zhǔn)合成。即便在 40 V 的偏壓下，該器件依然實現(xiàn)了超低暗電流（4.15 × 10⁻¹² A），同時表現(xiàn)出高響應(yīng)度（2.26 A·W⁻¹）以及優(yōu)異的探測率（1.14 × 10¹⁴ Jones）。最終，該 β-Ga₂O₃ 光探測器被集成至用于機械臂控制的人機交互系統(tǒng)中，使得該系統(tǒng)在面對隨機噪聲時表現(xiàn)出卓越的抗干擾能力，并推動更高效算法的集成。因此，該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)讀取時間減少 88.46%，數(shù)據(jù)所需存儲空間減少 78.17%，從而展示了低成本、高靈敏度 β-Ga₂O₃ 在物聯(lián)網(wǎng)時代中的巨大應(yīng)用潛力。

4. 總結(jié)

通過抑制鎵空位濃度，開發(fā)出了具有超低暗電流的 β-Ga₂O₃ 光電導(dǎo)型光電探測器，從而實現(xiàn)了基于日盲紫外通信的高性能光學(xué)非接觸式人機交互系統(tǒng)。理論研究發(fā)現(xiàn)，鎵空位是 β-Ga₂O₃ 中的主要淺施主，通過提高其形成能，并在富氧條件下促進 2V_Ga-Ga_i 復(fù)合物的形成，可有效抑制其濃度，從而減少 β-Ga₂O₃ 中的自由載流子。通過將氧氣流量從 4 SCCM 增加到 12 SCCM，制備出含有低濃度鎵間隙的 β-Ga₂O₃ 薄膜，使自由載流子濃度降低，費米能級從 3.26 eV 降至 3.09 eV。在優(yōu)化 β-Ga₂O₃ 光電導(dǎo)型光電探測器的叉指電極后，40 V 偏壓下，暗電流降低至 4.15×10^-12 A，響應(yīng)度和探測率分別提高到 2.26 A·W^-1 和 1.14×10¹⁴ Jones。最后，將 β-Ga₂O₃ 光電導(dǎo)型光電探測器應(yīng)用于光學(xué)非接觸式人機交互系統(tǒng)中，準(zhǔn)確地傳輸了“E-1-135-2-140-3-70-4-130-R”這一指令，使機械臂能夠執(zhí)行正確的動作。極低的暗電流使得基于 β-Ga₂O₃ 光電導(dǎo)型光電探測器的人機交互系統(tǒng)能夠在白熾光下有效運行，并展現(xiàn)出出色的抗隨機噪聲能力。這有助于整合更高效的算法，使系統(tǒng)的數(shù)據(jù)讀取時間減少 88.46%，數(shù)據(jù)所需存儲空間減少 78.17%。本研究有效地突顯了低暗電流的 β-Ga₂O₃ 光導(dǎo)型光電探測器在人機交互系統(tǒng)中的巨大潛力，強調(diào)了其制造成本低、靈敏度高以及易于實現(xiàn)工業(yè)規(guī)模應(yīng)用的優(yōu)勢。