与CMOS兼容的全氧化物p-n异质结深紫外光电探测器及成像技术

《IEEE Transactions on Electron Devices》：CMOS-Compatible All-Oxide p–n Heterojunction Deep Ultraviolet Photodetector and Imaging

基于amorphous Ga2O3/NiO异质结的自供电深紫外探测器，通过低温度射频磁控溅射工艺实现与CMOS后端集成的兼容性。器件在零偏压下展现高太阳盲区性能，响应度88 mA/W，探测度11 Jones，外量子效率43%，响应时间<0.1 s。首次实现Ga2O3/NiO异质结与CMOS读出电路的单芯片集成，构建8×8像素成像阵列，结构分析证实可靠集成，254 nm紫外光下验证成像能力。该成果为宽禁带氧化物半导体与成熟硅基技术融合提供可扩展解决方案，推动紫外光通信和成像应用发展。

　　

摘要：

深紫外（DUV）光检测和成像技术在从安全通信到环境监测等多种应用中至关重要，但将高性能DUV传感器与现有的硅技术集成仍然具有挑战性。在这项研究中，我们展示了一种基于非晶态Ga2O3和NiO全氧化物p-n异质结的、兼容CMOS系统的自供电DUV光检测器和成像器件。该器件采用低温射频（RF）磁控溅射技术制造，确保了与CMOS后端工艺的完全兼容性。该异质结探测器在零偏压下表现出优异的太阳光抑制性能，响应度（）达到88 mA/W，检测率（）为10^11 Jones，外部量子效率（EQE）为43%，响应时间小于0.1秒。其自供电特性已在DUV光通信系统中得到验证，成功实现了编码信号的传输和解码。本研究首次实现了Ga2O3/NiO堆栈与CMOS读出集成电路（ROIC）的单片集成，形成了一个8×8像素的成像阵列。结构和元素分析证实了这种集成的稳定性，该阵列在254 nm光照下仍能清晰成像。本研究提供了一种可扩展的解决方案，通过将超宽带隙氧化物半导体与现有的硅技术相结合，实现了高性能DUV成像系统的开发，为新兴的光电应用奠定了基础。