表面等离子体在氧化镓基紫外探测器中的应用
【电子科技大学电子薄膜与集成电路国家重点实验室】


        1801年,德国物理学家J. W. Ritter发现一种波长比可见光更短并且能够催化某种化学反应的辐射线,称其为“化学辐射”。随后,经过科学家的研究与发现,这种“化学辐射”被正式命名为“紫外辐射”。如今,紫外辐射的电磁波频谱范围已被确定为10~400 nm。紫外辐射在整个太阳辐射中仅占到10%,并且其中大部分会被平流层臭氧吸收,只有少部分到达地球表面。但这部分的紫外辐射对人类的生存与发展以及生态系统的稳定具有重大的意义。因此,紫外探测器的研制成为了科学工作者研究的焦点。
 
        电子科技大学电子薄膜与集成电路国家重点实验室的钱凌轩副教授研究团队致力于宽禁带半导体beta-氧化镓薄膜基日盲紫外探测器的研究。为了进一步改善beta-氧化镓基紫外探测器的性能,提出了局域表面等离子体共振在探测器中的应用。相关研究报道指出,激发铝纳米粒子产生局域表面等离子体共振的波长范围在200~800 nm,其最大吸收峰所对应的激发波长依赖于纳米粒子的尺寸、形状、间距、介电环境以及介电性能。在本研究工作中,利用快速热退火的方法在beta-氧化镓薄膜表面形成了粒子直径呈正态分布的铝纳米粒子,粒子的平均直径约为23 nm。研究发现,铝纳米粒子的存在能够有效地降低探测器的背景噪声,同时提高探测器的光响应度和探测率。主要原因是铝纳米粒子氧化后形成的氧化铝钝化beta-氧化镓表面,使得器件暗电流降低;除此之外,铝纳米粒子的存在增强了beta-氧化镓薄膜对日盲紫外光的吸收;另外,铝纳米粒子中的电子在紫外光作用下与光子发生耦合共振,使铝纳米粒子附近的磁场增强,从而为beta-氧化镓内的价带中的电子跃迁到导带提供更多能量。


MSM日盲紫外探测器结构示意图

研究团队简介
        电子科技大学电子薄膜与集成电路国家重点实验室紫外光电探测技术团队主要针对宽禁带半导体材料与器件的研发,包括beta-氧化镓的分子束外延生长及其日盲紫外探测器研制、 beta-氧化镓基高耐压功率器件、非晶氧化物薄膜晶体管等,研究成员有刘兴钊教授、钱凌轩副教授、博士张怡宇、硕士石雄林等。在本领域权威期刊上发表及合作发表论文100余篇;授权中国发明专利1项。获得2002年度国防科学技术一等奖,2003年度国家技术发明二等奖,2005年度教育部技术发明一等奖。


相关论文
石雄林,刘宏宇,候爽,等. 表面等离子体在氧化镓基紫外探测器中的应用[J]. 光电工程,2018,45(2): 170728
DOI: 10.12086/oee.2018.170728