【仪表网 研发快讯】近日，吉林大学物理学院高压与超硬材料全国重点实验室殷红教授团队与大连理工大学集成电路学院梁红伟教授团队合作在超宽带隙半导体六方氮化硼(h-BN)偏振探测器研制方面取得重要进展，通过异质外延生长工艺克服了通常的热力学稳定高对称性c面生长模式，成功制备出大面积m面取向的h-BN外延膜，研制的光电探测器实现了真空紫外(VUV)波段的高敏感性偏振探测功能。该工作为基于h-BN的VUV偏振敏感光电探测器设计提供了有效策略，同时对基于传统二维材料的新型集成光电子应用具有重要意义。研究成果以“Polarization Sensitive Vacuum-Ultraviolet Photodetectors Based onm-Plane h-BN”为题发表在国际学术期刊《Advanced Materials》上。
VUV光探测在空间科学、辐射监测、电子工业和基础研究中发挥着至关重要的作用，近年来备受瞩目。将光的偏振特性引入到VUV检测中，有利于丰富对探测目标属性的理解并拓宽信号维度，从而拓展其于复杂场景中的应用。因而，开发具有偏振灵敏的低对称性晶体结构、VUV选择性响应以及高抗辐照的光敏材料，是推动真空紫外偏振探测技术突破的关键。
作为传统的范德华二维材料，h-BN凭借其近6 eV的超宽带隙、高带边吸收系数，高介电强度，化学惰性，优异热稳定性以及抗辐照能力等优势，在VUV探测领域备受关注。然而，常规范德华生长模式制备的h-BN晶体在优先生长平面通常形成具有三重旋转对称性的c面表面结构，导致材料偏振敏感性受限。研究团队通过离子束辅助溅射外延生长技术，于蓝宝石衬底上成功制备获得2英寸具有低对称性m面生长取向的h-BN异质外延薄膜。理论计算与实验表征表明，m面取向h-BN外延膜在晶体结构、电荷密度分布、介电特性、光吸收行为及m面内电子跃迁概率等方面均表现出显著的各向异性，因而赋予了其VUV波段的偏振探测应用潜力。其面内a轴与c轴方向在VUV波段的各向异性光吸收系数比理论上可达一个数量级，同时实验上测得室温下外延膜在两方向的载流子传输效率比高达24。基于此，研究团队研制出高性能VUV偏振探测器，其在188 nm偏振光下实现6.2的偏振比，并具有3.4 mA/W的a轴方向偏振响应率。
图：m面异质外延h-BN原子排列、二向色性及VUV偏振光探测性能
这项工作基于超宽禁带半导体将偏振光探测波长扩展到VUV范围，不仅为发展h-BN材料于光学、电子学和光电子学应用的片上集成提供了机会，还克服了传统的高对称二维材料在偏振光探测中的局限性，进而为VUV和其他光谱范围的高敏感、低噪声偏振光探测开辟了新的途径。
该论文通讯作者为吉林大学殷红教授与大连理工大学梁红伟教授，第一作者为吉林大学物理学院博士研究生陈乐。该项工作得到了国家自然科学基金、吉林省自然科学基金、吉林省重点研发项目等相关项目的资助，并得到吉林大学高压与超硬材料全国重点实验室、大连市宽禁带半导体器件集成与系统重点实验室等平台的支持，同时也得到了上海同步辐射光源BL03U线站的大力支持。
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