哈尔滨工业大学---通过镓间隙工程实现用于抗干扰光学人机交互系统的β-Ga₂O₃光电导光电探测器的超低暗电流

由哈尔滨工业大学的矫淑杰研究团队在学术期刊 Small 发布了一篇名为 Achieving Ultra-Low Dark Current in β-Ga₂O₃ Photoconductive Photodetectors for Anti-Interference Optical Human–Machine Interaction Systems via Gallium Interstitials Engineering（通过镓间隙工程实现用于抗干扰光学人机交互系统的 β-Ga₂O₃ 光电导光电探测器的超低暗电流）的文章。

1. 项目支持

这项工作得到了国家重点研发计划（2019YFA0705204，2019YFA0705201）和国家自然科学基金（批准号：62174042）的资助。

2. 背景

人机交互（Human-Machine Interaction, HMI）系统是物联网（IoT）时代的关键技术，极大地增加了用户与数字世界之间的信息交换。基于无线电通信的 HMI 系统由于带宽和传输速率的限制，难以满足 HMI 系统中日益增长的高通量数据传输需求。光学通信，特别是日盲紫外（Solar-blind UV）通信，因其带宽高、速率快、背景噪声低、抗干扰能力强等优点，在下一代 HMI 系统中潜力巨大。光电探测器的暗电流是制约日盲紫外 HMI 系统稳定性和灵敏度的关键因素。高暗电流会降低光电探测器的信噪比，增加系统能耗，并使系统易受随机噪声干扰，导致信息交互需要更长的读取时间和更大的存储空间。因此用于日盲紫外 HMI 系统通信端的光电探测器通常要求其暗电流远低于 nA 级别。β-氧化镓（β-Ga₂O₃）是极具前景的日盲紫外探测材料。现有 β-Ga₂O₃ 探测器（如 p-n 结、肖特基结）虽然能降低暗电流，但通常以牺牲响应度为代价。雪崩光电二极管虽性能优异但成本高、工艺复杂。β-Ga₂O₃ 光电导型探测器结构简单、成本低，且由于电子和空穴有效质量差异巨大，具有“扫出效应”（sweep-out effect）带来的内禀光电增益，有望实现高响应度。然而，其暗电流受本征缺陷（主要是浅施主）显著影响。

3. 摘要

受高速数据传输需求的驱动，开发具有高性价比且高度灵敏的光电导型光探测器已成为推进光通信系统发展的关键，从而在人机交互领域中发挥着重要作用。本研究展示了一种应用于抗干扰光学人机交互系统的 β-Ga₂O₃ 光电导型光探测器，其出色的响应度和极低的暗电流归因于对内在缺陷的策略性调控。通过第一性原理模拟，系统性地阐明了不同生长条件下缺陷的动态行为，从而实现了具有低浓度浅施主型 Ga 间隙缺陷的 β-Ga₂O₃ 薄膜的精准合成。即便在 40 V 的偏压下，该器件依然实现了超低暗电流（4.15 × 10⁻¹² A），同时表现出高响应度（2.26 A·W⁻¹）以及优异的探测率（1.14 × 10¹⁴ Jones）。最终，该 β-Ga₂O₃ 光探测器被集成至用于机械臂控制的人机交互系统中，使得该系统在面对随机噪声时表现出卓越的抗干扰能力，并推动更高效算法的集成。因此，该系统的数据读取时间减少 88.46%，数据所需存储空间减少 78.17%，从而展示了低成本、高灵敏度 β-Ga₂O₃ 在物联网时代中的巨大应用潜力。

4. 总结

通过抑制镓空位浓度，开发出了具有超低暗电流的 β-Ga₂O₃ 光电导型光电探测器，从而实现了基于日盲紫外通信的高性能光学非接触式人机交互系统。理论研究发现，镓空位是 β-Ga₂O₃ 中的主要浅施主，通过提高其形成能，并在富氧条件下促进 2V_Ga-Ga_i 复合物的形成，可有效抑制其浓度，从而减少 β-Ga₂O₃ 中的自由载流子。通过将氧气流量从 4 SCCM 增加到 12 SCCM，制备出含有低浓度镓间隙的 β-Ga₂O₃ 薄膜，使自由载流子浓度降低，费米能级从 3.26 eV 降至 3.09 eV。在优化 β-Ga₂O₃ 光电导型光电探测器的叉指电极后，40 V 偏压下，暗电流降低至 4.15×10^-12 A，响应度和探测率分别提高到 2.26 A·W^-1 和 1.14×10¹⁴ Jones。最后，将 β-Ga₂O₃ 光电导型光电探测器应用于光学非接触式人机交互系统中，准确地传输了“E-1-135-2-140-3-70-4-130-R”这一指令，使机械臂能够执行正确的动作。极低的暗电流使得基于 β-Ga₂O₃ 光电导型光电探测器的人机交互系统能够在白炽光下有效运行，并展现出出色的抗随机噪声能力。这有助于整合更高效的算法，使系统的数据读取时间减少 88.46%，数据所需存储空间减少 78.17%。本研究有效地突显了低暗电流的 β-Ga₂O₃ 光导型光电探测器在人机交互系统中的巨大潜力，强调了其制造成本低、灵敏度高以及易于实现工业规模应用的优势。