新型长波红外传感器阵列：集成氧化钒测辐射热计与氮化镓LED，实现嵌入式光电读出
2025-08-16 14:51:10   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

氧化钒（VO_x）薄膜通常与硅基读出集成电路（ROIC）集成，以实现信号转换和处理。然而，硅基电子器件在恶劣环境下可能面临重大挑战。这一问题可以通过采用氮化镓（GaN）基电子器件和/或光电器件作为读出器件来解决，因为与硅基器件相比，GaN器件对高能辐射的耐久性更优。此外，晶圆级单晶GaN具有高温稳定性和化学稳定性，因此可通过在GaN基电子器件上生长各种测辐射热敏材料来制备红外传感器。

据麦姆斯咨询报道，近期，韩国蔚山科学技术院（UNIST）的研究团队制备了由VO₂测辐射热计与GaN发光二极管（LED）构成的异质结构器件，并研究了GaN LED作为测辐射热计读出单元的可行性。尽管GaN LED在不同温度下均保持稳定的电学和光学性能，但是VO₂覆盖层因温度诱导产生的金属-绝缘体相变（MIT）现象，可通过LED的可见光发射强度得以体现。通过将VO₂与LED结构集成，还可以构建具有独立可寻址像素的测辐射热计阵列，从而借助嵌入式光电读出方法实现空间分辨热传感。相关研究内容以“Long wavelength infrared sensor array using VO₂ microstructures fabricated on visible GaN LED”为题发表在Scientific Reports期刊上。

图1展示了本研究利用VO₂/GaN LED异质结构制备可见光至红外（IR）波段探测器的策略。离散VO₂微结构阵列可在薄膜LED上制备。该LED生长于c-Al₂O₃衬底上，该衬底由n-GaN层、In_xGa_1−xN/GaN多量子阱（MQW）及p-GaN层构成。本研究采用了绿色电致发光（EL）LED，其波长范围531 ~ 543 nm，导通电压2.3 V。VO₂微结构直接形成于顶部p-GaN表面，每个VO₂像素与底层LED直接电连接，无需任何金属中间层。图1插图展示了VO₂/GaN LED异质结构器件的单像素暴露于外部热源时的工作示意图。该LED在2.5 V的低偏置电压下工作，并采用脉宽调制（PWM）。

图1 由VO₂阵列组成的长波红外传感器示意图（该阵列制备于可见光In_xGa_1−xN/GaN LED之上）

该红外传感器阵列正常工作的一个关键条件是VO₂像素具有均匀的金属-绝缘体相变（MIT）特性。图2a显示了沉积在GaN LED上的VO₂层的典型表面形貌。图2b显示了VO₂/GaN异质结构的场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）横截面图像。图2c和图2d分别为O_1s和V_2p3/2峰的X射线光电子能谱（XPS）核心能级谱。

图2 沉积于GaN上的VO₂结构层的化学和结构特征

为开展该器件分析，研究人员对VO₂/LED异质结构像素的电学和EL特性进行了表征。图3a和图3b分别展示了不同温度下的发光图像和对应的EL光谱。EL光谱的主峰位置和半高全宽（FWHM）如图3c所示。图3d显示了VO₂/LED像素在不同温度下的电流-电压（I - V）曲线。图3e显示了EL强度与VO₂/LED像素的电阻率随温度的变化关系，二者均表现出良好的线性特征。

图3 VO₂/GaN LED单像素在不同温度下的工作情况

除了单像素外，研究人员还研究了3 × 3像素阵列形式下VO₂/LED像素的EL特性。本研究中，金属电极和LED外延层均为共享结构，但VO₂微结构彼此隔离，以实现热辐射的单独探测。首先，研究人员通过样品下方的热板向每个像素施加均匀的热辐射；然后利用数码单反相机同时记录不同位置多个像素的亮度变化，相关结果如图4所示。接着，研究人员进一步引入加热棒来操控3 × 3像素阵列，加热元件可为单个VO₂像素提供局部热量，相关结果如图5所示。

图4 均匀加热条件下，VO₂/GaN像素阵列在（a）30 ℃、（b）60 ℃、（c）90 ℃的光发射

图5 利用加热棒从（a）右上、（b）底部中央、（c）与顶部像素平行的不同方向对VO₂/GaN像素阵列施加局部加热

综上所述，这项研究将VO₂测辐射热计与GaN LED的光学读出器件集成，并研究了它们之间的兼容性。在GaN LED上制备的VO₂微像素阵列具有均匀结构和化学配置，确保了每个VO₂像素的金属-绝缘体相变（MIT）特性的一致性。在VO₂制备过程中，GaN LED保持固态，其电气性能和EL特性未受影响。VO₂微像素具有良好的MIT特性，电阻温度系数（TCR）达2.4%/K。VO₂的温度诱导MIT通过LED以光学方式显示，异质结构器件的光发射强度与电阻成反比。VO₂覆盖层对LED的导通电压影响极小，从而使异质结构器件在2.5 V的低电压下稳定工作。

同时，研究人员还展示了无串扰的独立可寻址VO₂/LED异质结构阵列，其中VO₂微像素制备于共享电极的普通LED上。VO₂像素的均匀MIT特性使其可探测外部热源的大小和方向。顶部的p-GaN层具有足够的电阻，可实现每个VO₂像素的电气隔离。这些研究成果均表明，VO₂与GaN在材料和器件层面具有良好的兼容性。进一步考虑其在高能辐射下的材料耐受性，该VO₂/GaN异质结构有望用于开发适用于太空任务的多种红外传感器。

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41598-025-15278-0

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