High‐Performance Broad‐Spectrum UV Photodetectors with Uniform Response: Engineering β‐Ga 2 O 3 :Si/GaN:Si Heterojunctions via Thermal Oxidation for Optoelectronic Logic Gate and Multispectral Imaging

材料科学 光电子学 异质结 光电探测器 光电流 多光谱图像 热氧化 紫外线 响应度 活动层 暗电流 图层(电子) 硅 纳米技术 计算机科学 薄膜晶体管 计算机视觉
作者
Jili Jiang,Jiangshuai Luo,Ke Ding,Yan Tang,Hong Zhang,Lijuan Ye,Di Pang,Wanjun Li,Wanjun Li
出处
期刊:Small [Wiley]
卷期号:21 (12): e2406447-e2406447 被引量:31
标识
DOI:10.1002/smll.202406447
摘要

Developing high-performance, broad-spectrum ultraviolet photodetectors (PDs) with uniform response is crucial for optoelectronic applications like spectral analysis, optoelectronic logic gates, and multispectral imaging. This study constructs n-n type β-Ga2O3:Si/GaN:Si heterojunction PDs using thermal oxidation, combining the advantages of β-Ga2O3:Si and GaN:Si for excellent broad-spectrum response (UV-A to UV-C). A proposed channel model for GaN:Si oxidation includes hole formation, vortex structure development, channel formation, and grain growth, providing a basis for understanding β-Ga2O3:Si/GaN:Si heterojunction formation. Uniform Si doping in the β-Ga2O3 layer, achieved through thermal oxidation, reduces resistivity, enhances the collection of photogenerated carriers from the underlying GaN layer, and hence enhances broad-spectrum response performance. The devices exhibit outstanding uniformity and sensitivity across the UV-A to UV-C range, with a peak responsivity of 2.44 × 104 A W-1 and a photocurrent-to-dark current ratio of 1.3 × 105. Applications include optoelectronic logic gates executing "OR gate" and "AND gate" logic operations with 254 and 365 nm UV light, and a single-pixel multispectral imaging system producing high-contrast, clear "CNU" images with 254, 295, and 365 nm UV light. This research advances the understanding of oxide heterojunction formation and offers a method for developing high-performance, uniformly responsive broad-spectrum UV photodetectors for optoelectronic applications.
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