由哈爾濱工業大學的矯淑杰研究團隊在學術期刊 Small 發布了一篇名為 Achieving Ultra-Low Dark Current in β-Ga₂O₃ Photoconductive Photodetectors for Anti-Interference Optical Human–Machine Interaction Systems via Gallium Interstitials Engineering（通過鎵間隙工程實現用于抗干擾光學人機交互系統的 β-Ga₂O₃ 光電導光電探測器的超低暗電流）的文章。

1. 項目支持

這項工作得到了國家重點研發計劃（2019YFA0705204，2019YFA0705201）和國家自然科學基金（批準號：62174042）的資助。

2. 背景

人機交互（Human-Machine Interaction, HMI）系統是物聯網（IoT）時代的關鍵技術，極大地增加了用戶與數字世界之間的信息交換。基于無線電通信的 HMI 系統由于帶寬和傳輸速率的限制，難以滿足 HMI 系統中日益增長的高通量數據傳輸需求。光學通信，特別是日盲紫外（Solar-blind UV）通信，因其帶寬高、速率快、背景噪聲低、抗干擾能力強等優點，在下一代 HMI 系統中潛力巨大。光電探測器的暗電流是制約日盲紫外 HMI 系統穩定性和靈敏度的關鍵因素。高暗電流會降低光電探測器的信噪比，增加系統能耗，并使系統易受隨機噪聲干擾，導致信息交互需要更長的讀取時間和更大的存儲空間。因此用于日盲紫外 HMI 系統通信端的光電探測器通常要求其暗電流遠低于 nA 級別。β-氧化鎵（β-Ga₂O₃）是極具前景的日盲紫外探測材料。現有 β-Ga₂O₃ 探測器（如 p-n 結、肖特基結）雖然能降低暗電流，但通常以犧牲響應度為代價。雪崩光電二極管雖性能優異但成本高、工藝復雜。β-Ga₂O₃ 光電導型探測器結構簡單、成本低，且由于電子和空穴有效質量差異巨大，具有“掃出效應”（sweep-out effect）帶來的內稟光電增益，有望實現高響應度。然而，其暗電流受本征缺陷（主要是淺施主）顯著影響。

3. 摘要

受高速數據傳輸需求的驅動，開發具有高性價比且高度靈敏的光電導型光探測器已成為推進光通信系統發展的關鍵，從而在人機交互領域中發揮著重要作用。本研究展示了一種應用于抗干擾光學人機交互系統的 β-Ga₂O₃ 光電導型光探測器，其出色的響應度和極低的暗電流歸因于對內在缺陷的策略性調控。通過第一性原理模擬，系統性地闡明了不同生長條件下缺陷的動態行為，從而實現了具有低濃度淺施主型 Ga 間隙缺陷的 β-Ga₂O₃ 薄膜的精準合成。即便在 40 V 的偏壓下，該器件依然實現了超低暗電流（4.15 × 10⁻¹² A），同時表現出高響應度（2.26 A·W⁻¹）以及優異的探測率（1.14 × 10¹⁴ Jones）。最終，該 β-Ga₂O₃ 光探測器被集成至用于機械臂控制的人機交互系統中，使得該系統在面對隨機噪聲時表現出卓越的抗干擾能力，并推動更高效算法的集成。因此，該系統的數據讀取時間減少 88.46%，數據所需存儲空間減少 78.17%，從而展示了低成本、高靈敏度 β-Ga₂O₃ 在物聯網時代中的巨大應用潛力。

4. 總結

通過抑制鎵空位濃度，開發出了具有超低暗電流的 β-Ga₂O₃ 光電導型光電探測器，從而實現了基于日盲紫外通信的高性能光學非接觸式人機交互系統。理論研究發現，鎵空位是 β-Ga₂O₃ 中的主要淺施主，通過提高其形成能，并在富氧條件下促進 2V_Ga-Ga_i 復合物的形成，可有效抑制其濃度，從而減少 β-Ga₂O₃ 中的自由載流子。通過將氧氣流量從 4 SCCM 增加到 12 SCCM，制備出含有低濃度鎵間隙的 β-Ga₂O₃ 薄膜，使自由載流子濃度降低，費米能級從 3.26 eV 降至 3.09 eV。在優化 β-Ga₂O₃ 光電導型光電探測器的叉指電極后，40 V 偏壓下，暗電流降低至 4.15×10^-12 A，響應度和探測率分別提高到 2.26 A·W^-1 和 1.14×10¹⁴ Jones。最后，將 β-Ga₂O₃ 光電導型光電探測器應用于光學非接觸式人機交互系統中，準確地傳輸了“E-1-135-2-140-3-70-4-130-R”這一指令，使機械臂能夠執行正確的動作。極低的暗電流使得基于 β-Ga₂O₃ 光電導型光電探測器的人機交互系統能夠在白熾光下有效運行，并展現出出色的抗隨機噪聲能力。這有助于整合更高效的算法，使系統的數據讀取時間減少 88.46%，數據所需存儲空間減少 78.17%。本研究有效地突顯了低暗電流的 β-Ga₂O₃ 光導型光電探測器在人機交互系統中的巨大潛力，強調了其制造成本低、靈敏度高以及易于實現工業規模應用的優勢。