【儀表網 研發快訊】近日，吉林大學物理學院高壓與超硬材料全國重點實驗室殷紅教授團隊與大連理工大學集成電路學院梁紅偉教授團隊合作在超寬帶隙半導體六方氮化硼(h-BN)偏振探測器研制方面取得重要進展，通過異質外延生長工藝克服了通常的熱力學穩定高對稱性c面生長模式，成功制備出大面積m面取向的h-BN外延膜，研制的光電探測器實現了真空紫外(VUV)波段的高敏感性偏振探測功能。該工作為基于h-BN的VUV偏振敏感光電探測器設計提供了有效策略，同時對基于傳統二維材料的新型集成光電子應用具有重要意義。研究成果以“Polarization Sensitive Vacuum-Ultraviolet Photodetectors Based onm-Plane h-BN”為題發表在國際學術期刊《Advanced Materials》上。
 

　　VUV光探測在空間科學、輻射監測、電子工業和基礎研究中發揮著至關重要的作用，近年來備受矚目。將光的偏振特性引入到VUV檢測中，有利于豐富對探測目標屬性的理解并拓寬信號維度，從而拓展其于復雜場景中的應用。因而，開發具有偏振靈敏的低對稱性晶體結構、VUV選擇性響應以及高抗輻照的光敏材料，是推動真空紫外偏振探測技術突破的關鍵。
 

　　作為傳統的范德華二維材料，h-BN憑借其近6 eV的超寬帶隙、高帶邊吸收系數，高介電強度，化學惰性，優異熱穩定性以及抗輻照能力等優勢，在VUV探測領域備受關注。然而，常規范德華生長模式制備的h-BN晶體在優先生長平面通常形成具有三重旋轉對稱性的c面表面結構，導致材料偏振敏感性受限。研究團隊通過離子束輔助濺射外延生長技術，于藍寶石襯底上成功制備獲得2英寸具有低對稱性m面生長取向的h-BN異質外延薄膜。理論計算與實驗表征表明，m面取向h-BN外延膜在晶體結構、電荷密度分布、介電特性、光吸收行為及m面內電子躍遷概率等方面均表現出顯著的各向異性，因而賦予了其VUV波段的偏振探測應用潛力。其面內a軸與c軸方向在VUV波段的各向異性光吸收系數比理論上可達一個數量級，同時實驗上測得室溫下外延膜在兩方向的載流子傳輸效率比高達24。基于此，研究團隊研制出高性能VUV偏振探測器，其在188 nm偏振光下實現6.2的偏振比，并具有3.4 mA/W的a軸方向偏振響應率。
 

圖：m面異質外延h-BN原子排列、二向色性及VUV偏振光探測性能
 

　　這項工作基于超寬禁帶半導體將偏振光探測波長擴展到VUV范圍，不僅為發展h-BN材料于光學、電子學和光電子學應用的片上集成提供了機會，還克服了傳統的高對稱二維材料在偏振光探測中的局限性，進而為VUV和其他光譜范圍的高敏感、低噪聲偏振光探測開辟了新的途徑。
 

　　該論文通訊作者為吉林大學殷紅教授與大連理工大學梁紅偉教授，第一作者為吉林大學物理學院博士研究生陳樂。該項工作得到了國家自然科學基金、吉林省自然科學基金、吉林省重點研發項目等相關項目的資助，并得到吉林大學高壓與超硬材料全國重點實驗室、大連市寬禁帶半導體器件集成與系統重點實驗室等平臺的支持，同時也得到了上海同步輻射光源BL03U線站的大力支持。