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资讯:Chip 10 Science 候选成果展示 | 通过能带工程实现高灵敏快响应日盲紫外光电探测器及动态目标追踪

2026-05-29 19:53:51

文章来源：FUTURE远见

成果名称：High-sensitivity and fast-response solar-blind photodetectors via band offset engineering for motion tracking

发表期刊：Nature Communications

论文作者：王宏彬，周成，李鹏，杨霖，马剑钢，赤池良太，三宅秀人，徐海阳，刘益春

申报单位：东北师范大学

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-63683-w

工作简介

日盲紫外（200-280 nm）探测在导弹预警、电晕放电监测、保密通信及环境传感等领域具有不可替代的战略价值。然而，该波段高性能成像技术的实用化长期面临核心器件性能瓶颈：传统日盲探测器难以同时实现高灵敏度与快响应速度，而基于超宽禁带半导体的焦平面阵列又受限于复杂的集成工艺、高成本与均匀性问题，难以实现动态目标的实时捕捉。针对这一重大挑战，本工作创新性地提出并验证了一种“极化场与能带工程协同设计”的新策略，成功研制出一种基于Ga₂O₃/AlN/AlGaN:Si异质结的日盲紫外光电探测器，并首次在国际上实现了基于单器件的日盲波段动态目标实时成像与追踪。本工作的核心突破与科学价值体现在以下三个方面：

1. 研究摒弃了传统p-n结或肖特基结的思路，设计并制备了nBn⁺⁺单极势垒特性的异质结构。其核心创新在于利用了N极性氮化物（AlN/AlGaN:Si）界面处强大的自发极化场。该极化场诱导了显著的能带弯曲，在AlN势垒层中构建了用于局域捕获光生空穴的势阱。这一设计巧妙地解决了增益与速度的矛盾，空穴被限制在势阱中延长寿命，通过多次循环引发内增益机制，从而大幅度提升响应度；同时，强大的极化内建电场确保了光生载流子被快速提取，从而保障了快速的响应速度。

2. 基于该策略制备的探测器实现了多项性能指标的同步优化，展现出卓越的综合性能。器件的峰值响应度达0.73 A/W，上升/下降时间分别为60 ns/56 µs，光暗电流比超过10⁵，比探测率达2.9×10¹¹ Jones，紫外可见抑制比（R_{245 nm}/R_{400 nm}）高达2×10³，表新出卓越的日盲选择性、低噪声与高灵敏度。在可靠性方面，批次制备的10个器件性能表现一致，且在长时间光照下性能稳定，展现了良好的工艺重复性与可靠性。

3. 我们将该高性能探测器集成到单像素成像系统中，成功实现了从静态到动态的日盲紫外成像。在静态成像方面，系统成功对指纹、字符、图案等复杂目标完成了高清图像重建；在动态成像方面，系统成功实时捕捉并重建了运动目标（如“飞机”）的连续运动轨迹，实现了动态视频流成像与追踪。这是国际上首次报道基于单个日盲探测器实现动态目标成像的工作，突破了传统焦平面阵列在实时成像方面面临的工艺复杂性与性能限制。

产业化前景

本技术路线的独特性在于，从底层物理机制出发，通过能带与极化场协同设计，在材料生长与器件结构层面实现了性能突破，而非单纯优化工艺。所制备的探测器兼具高性能、高可靠性、工艺兼容性好等优点，为核心芯片级器件的国产化与性能超越提供了新方案。

在军用领域，相关技术可用于导弹逼近告警、紫外制导、保密通信等系统的核心探测单元，提升系统灵敏度与响应速度；在电力安全方面，可用于高压输变电设备的电晕放电在线监测与故障预警，保障电网安全；在环境与安检领域，可用于臭氧层监测、火焰探测、生物制剂荧光检测等高灵敏度传感。未来可进一步与人工智能算法结合，并向真空紫外、太赫兹等更广阔波段拓展，有望发展出新一代轻量化、智能化的广谱感知芯片与系统，应用于空天探测、无人机平台。

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