北京邮电大学吴真平教授团队：采用HfO₂绝缘层的氧化镓MISM光电二极管阵列实现20 fA超低暗电流日盲成像

由北京邮电大学吴真平教授领导的研究团队在学术期刊 Optics Letters 发布了一篇名为 Ga₂O₃ MISM photodiode arrays with an HfO₂ insulator achieving a 20 fA dark current for solar-blind imaging（采用HfO₂ 绝缘层的 Ga₂O₃ MISM 光电二极管阵列实现 20 fA 超低暗电流日盲成像）的文章。

一、 项目支持

本工作得到以下资助：中国国家自然科学基金（12474065）；信息光子学与光通信国家重点实验室（IPOC2025ZR05）；中央高校基本科研业务费（北京邮电大学，2023ZCJH1）；北京邮电大学优秀博士生基金（CX20253002）。

二、 背景

近年来，随着深紫外（DUV）通信与光探测技术的发展，对高灵敏度成像系统的需求不断增长。多像素阵列能够提升信息容量，而其日盲特性则可实现微弱信号的无背景检测。硅基日盲光电探测器虽然成本低、工艺成熟，但仍需外部滤光器、高能紫外光穿透浅、响应度有限且热稳定性差，因此宽禁带半导体如 MgZnO、AlGaN、金刚石和 Ga₂O₃ 成为替代选择。其中，Ga₂O₃ 以其超宽禁带（≥4.8 eV）、高击穿场强和优异稳定性表现突出，非常适合 DUV 探测。传统 Ga₂O₃ MSM 光电探测器因电极间缺乏有效势垒而存在暗电流和噪声过高的问题，表面态和位错密度又加剧了泄漏电流，限制了器件的低光性能。为解决这些问题，本研究提出并实现了一种基于 HfO₂ 绝缘层的 MISM 光控二极管结构，通过增加界面势垒抑制暗电流、降低噪声，同时在紫外照射下实现高光响应，为高性能 DUV 成像提供了新的解决方案。

三、 主要内容

传统 Ga₂O₃ 金属–半导体–金属（MSM）光电探测器存在高暗电流问题，从而限制了其在深紫外（DUV）成像中的灵敏度。首次报道了一种采用超薄 HfO₂ 绝缘层的新型金属–绝缘体–半导体–金属（MISM）光控二极管。该器件在 5 V 电压下实现了约 20 fA 的超低暗电流，相较传统 MSM 结构降低了两个数量级。MISM 结构表现出卓越的性能：光响应度高达 2188 A/W，噪声等效功率为 1.06 × 10^-16 W/Hz^1/2，并且光-暗电流比提高了 300 倍以上。设计的 HfO₂ 层作为宽禁带能量势垒，抑制电子泄漏并钝化表面陷阱，从而提升载流子收集效率。此外，一个 16 × 16 像素的焦平面阵列在微弱 DUV 照射（100 nW/cm²）下实现了优异的图像对比度和空间分辨率。该 MISM 架构为下一代高灵敏 DUV 成像系统提供了可扩展的解决方案。

四、 总结

本文展示了一种高性能的基于 Ga₂O₃ 的 MISM 光控二极管（MISM PCD），其集成了超薄 HfO₂ 绝缘层，实现了超低暗电流（5 V 下约 20 fA）和优异的光响应度（2188 A/W）。HfO₂ 层发挥双重作用：其高能量势垒抑制载流子注入，同时钝化表面态以增强光生载流子收集效率。所制备的 16 × 16 成像阵列在 100 nW/cm² 微弱光照下表现出卓越的灵敏度，远超传统 MSM 光电探测器。这些结果表明，MISM 架构为下一代高灵敏度日盲成像系统提供了有前景的实现途径。