鑽石舞台

摘要：中國科學技術大學微電子學院龍世兵教授課題組和西湖大學朱博文教授課題組基於噴墨打印超薄氧化鎵（Ga2O3）薄膜設計出了柔性且耐高溫的Ga2O3深紫外探測器。該探測器不僅深紫外探測性能優異，而且表現出對應力、高溫等極端環境的較強耐受性。同時，該技術方案在探測器陣列成像方面也展現出極大的應用潛力。

關鍵詞：Advanced Optical Materials, 氧化鎵, 噴墨打印，柔性深紫外光電探測器, 中國科學技術大學

具有輕重量、可變形、低背景噪聲和耐惡劣環境等優點的柔性深紫外光電探測器正在蓬勃發展，在深空探索、穿戴電子等關鍵領域具有潛在應用價值。氧化鎵（Ga2O3）擁有較寬的帶隙（4.4-5.3 eV）和較短的吸收截止邊（<280 nm），同時兼顧良好的材料可加工性和較高的楊氏模量，是柔性深紫外光電探測器的優選材料之一。此外，Ga2O3對化學腐蝕、溫度和輻照表現出較高的耐受性，使其能夠輕鬆勝任極端環境應用。主流的Ga2O3薄膜多採用「自上而下」的生長方式，通常對襯底和真空條件有嚴格的要求。此外，傳統器件陣列隔離過程存在嚴重的材料浪費問題，且蝕刻工藝對柔性襯底存在損傷風險。上述問題使得在柔性襯底上大面積製備Ga2O3深紫外探測器陣列變得較為困難。鑑於此，「自下而上」的噴墨打印法因具有高通量、高設計性和低真空要求的優點，被認為是一種在任意襯底上製作低成本Ga2O3柔性探測器及陣列的可行方案。

中國科學技術大學微電子學院龍世兵教授課題組和西湖大學朱博文教授課題組，採用噴墨打印法製備出了高性能柔性耐高溫Ga2O3深紫外探測器。結合噴墨打印的高設計性和退火過程中前驅體水溶液的高效轉化，製備了厚度15 nm且規整的Ga2O3薄膜陣列（圖a-b）。XRD等表徵結果表明，所打印薄膜最終轉化為高質量結晶β-Ga2O3（圖c）。在剛性襯底上實現的打印法Ga2O3探測器在254 nm光照下展現出優異的探測性能，包括高達106以上的光/暗電流比、1.3 A/W的響應度和0.026 s的響應時間。在柔性襯底（雲母）上製備的Ga2O3探測器不僅擁有與剛性器件可比擬的光探測性能，且在多種彎曲半徑（平面/5/4.25/3.5 mm）（圖d），甚至經歷多個彎曲周期後，依然表現出穩定、可觀的深紫外探測性能。器件出色的機械韌性主要歸功於所打印Ga2O3超薄的厚度和高溫退火誘導的高晶體質量及其對超薄雲母襯底的強附着力。儘管光/暗電流比隨溫度升高而降低，其在250 ℃時仍保持在105以上（圖e），從而刷新高溫（200 ℃及以上）Ga2O3光電探測器的最高記錄。此外，得益於所有像素的高均勻性，該打印法柔性Ga2O3探測器陣列（4×4）表現出高對比度的成像效果（圖f）。

研究者相信，這項工作為製備用於極端環境深空探索和可穿戴電子應用的高性能柔性耐高溫深紫外光電探測器提供了一種高通量和低成本的優選策略。相關論文在線發表在Advanced Optical Materials上。