论文分享
【会员论文】APR|东北师范大学刘益春院士、李炳生教授团队：采用聚吡咯和氮掺杂石墨烯复合材料作为P区、自供电的p/Ga₂O₃/GaN p–i–n紫外光电探测器
日期：2026-04-15阅读：64
由来自东北师范大学刘益春院士与李炳生教授联合吉林师范大学、长春工业大学、美国纽约市立大学的研究团队在学术期刊 Applied Physics Reviews 发布了一篇名为Self-powered p/ Ga₂O₃/GaN p–i–n ultraviolet photodetector with a composite material made of polypyrrole (PPy) and nitrogen-doped graphene (PGr) as the P-region（采用聚吡咯（PPy）和氮掺杂石墨烯（PGr）复合材料作为P区、自供电的p/Ga₂O₃/GaN p–i–n紫外光电探测器）的文章。
背 景
深紫外（DUV，200–400 nm）辐射在人类生活中意义重大，适量可用于杀菌、疾病治疗与维生素合成，过量则危害健康。基于光电效应的光电探测器可有效监测 DUV 辐射，在特殊环境检测、有害气体传感、空间通信、紫外成像等军民领域应用广阔。传统商用 DUV 探测器（光电倍增管、硅基二极管）存在体积大、功耗高、需滤光片等缺陷。宽禁带半导体（AlₓGa₁₋ₓN、MgₓZn₁₋ₓO、金刚石、β-Ga₂O₃）成为研究热点，其中 β-Ga₂O₃带隙适配日盲紫外区、理化稳定性优异。自供电紫外探测器是前沿方向，异质结性能优于肖特基结，但 Ga₂O₃/GaN 异质结存在界面带偏移、载流子传输受阻问题。引入 p 型材料构建 p–i–n 结构是提升性能的有效途径，聚吡咯（PPy）与氮掺杂石墨烯（PGr）分别具备优异光电特性与高迁移率，二者协同可优化器件性能。
主要内容
制备了以聚吡咯（PPy）和氮掺杂石墨烯（PGr）复合作为 p 区的 PPy/PGr/Ga₂O₃/GaN p–i–n 异质结紫外光电探测器（UV PD），其中 β-Ga₂O₃通过高温将 GaN 基体顶层的氮原子替换为氧原子合成。在自供电模式下，该器件在 UVC–UVA 波段呈现双峰响应。与此前报道的 Ga₂O₃/GaN 结构单峰响应相比，光谱响应范围大幅拓宽。在 UVC 波段，响应度达 36.4 mA/W，是未改性器件的 21.4 倍；探测率提升至 1.5×10¹¹ Jones，增强 11.3 倍。器件还具备快速光响应特性（上升 / 下降时间分别为 0.09/10.8 ms）。器件性能的显著提升主要归因于 PPy 和 PGr 对载流子传输的有效调控，不仅增强了 Ga₂O₃/GaN 界面内建电场，还显著抑制了载流子复合。本研究提出的基于有机聚合物与二维材料协同集成的设计策略，为高灵敏度、宽光谱、快响应紫外光电探测器的发展提供了新思路与技术参考。
创新点
● 首次将聚吡咯（PPy）与氮掺杂石墨烯（PGr）复合作为 p 区，构建 PPy/PGr/Ga₂O₃/GaN p–i–n 自供电紫外光电探测器。
● 器件实现UVC–UVA 双波段响应，突破传统 Ga₂O₃/GaN 单峰响应局限，大幅拓宽光谱范围。
● 自供电模式下性能大幅提升：UVC 响应度 36.4 mA/W（提升 21.4 倍）、探测率 1.5×10¹¹ Jones（提升 11.3 倍）、上升时间仅 0.09 ms。
● 揭示 PPy/PGr 协同作用机制：增强界面内建电场、优化能带排列、抑制载流子复合、降低器件噪声。
结 论
该团队通过 n 型 GaN 热氧化成功制备 Ga₂O₃/GaN 异质结，构建了以有机聚合物与石墨烯复合作为 p 区的 PPy/PGr/Ga₂O₃/GaN p–i–n 紫外光电探测器。与仅在 UVC 波段呈现单一响应的传统 Ga₂O₃/GaN 器件相比，所制备的 PPy/PGr/Ga₂O₃/GaN 器件在 UVC 和 UVA 波段均表现出明显的双峰光响应特性。这种光响应增强源于 PPy 和 PGr 对器件内载流子传输行为的有效调控，显著减少复合过程并增强界面内建电场。此外，PPy 和 PGr 有效钝化了 Ga₂O₃中的不饱和悬键，从而抑制器件暗电流噪声。所构建的 p–i–n 结构探测器具备优异的自供电性能，无外加偏压时，其 UVC 波段光响应度高达 36.4 mA/W，是未改性 Ga₂O₃/GaN 器件的 21.4 倍；探测率提升至 1.5×10¹¹ Jones；器件上升 / 下降响应时间分别为 0.09 ms 和 10.8 ms，表现出快速响应特性。本工作基于有机聚合物与二维材料协同调控，为高性能、多波段响应紫外探测器的发展提供了有效策略。
项目支持
本工作得到国家自然科学基金（Nos. 62274027、62404039）、松山湖材料实验室开放基金（No. 2023SLABFK03）、111 引智基地（B25030）、吉林省科技发展计划项目（No. 20220502002GH）、中国博士后科学基金（No. GZC20230416）、中央高校基本科研业务费专项资金（No. 2412024QD010）、吉林省教育厅科学研究项目（No. JJKH20250304BS）资助。
图 1 (a) 氧化薄膜的 X 射线衍射图谱，插图为 (201) 衍射峰放大图。(b) β-Ga₂O₃薄膜的 X 射线光电子能谱。(c) 氧化薄膜的扫描电子显微镜截面图。(d) 氮掺杂石墨烯的拉曼光谱。(e) 聚吡咯薄膜的拉曼光谱。(f) 聚吡咯薄膜的透射光谱，插图为薄膜实物图。
图 2 异质结器件在暗态和 254 nm 紫外光照下的 I–V 曲线。(a) Ga₂O₃/GaN 异质结器件。(b) PGr/Ga₂O₃/GaN 异质结器件。(c) PPy/Ga₂O₃/GaN 异质结器件。(d) PPy/PGr/Ga₂O₃/GaN 异质结器件。
图 3 (a) 四种器件在 0 V 偏压和 254 nm 光照下的 I-t 曲线。(b) PPy/PGr/Ga₂O₃/GaN 异质结器件在 0 V 偏压、不同强度 254 nm 光照下的 I-t 曲线，插图为放大图。(c) PPy/PGr/Ga₂O₃/GaN 异质结器件在不同温度、365 nm 光照下的 I-t 曲线。(d) 室温下 365 nm 光照的 I–t 放大曲线。(e) 异质结器件光电流随光强度变化的拟合曲线。
图 4 (a) 瞬态测试系统示意图。(b)–(e) 器件瞬态响应曲线。
图 5 (a) 器件的响应度光谱。(b) PPy/PGr/Ga₂O₃/GaN 器件在 254 nm 处响应度随光功率密度的变化曲线。(c) 噪声功率密度谱。(d) 器件的探测率数值。
图 6 异质结能带图。(a) Ga₂O₃/GaN 器件。(b) PGr/Ga₂O₃/GaN 器件。(c) PPy/Ga₂O₃/GaN 器件。(d) PPy/PGr/Ga₂O₃/GaN 器件。
图 7 (a) GaN 热氧化、β-Ga₂O₃刻蚀及 PGr 转移示意图。(b) PPy 薄膜制备流程示意图。(c) p–i–n 异质结器件结构示意图。
DOI：
doi.org/10.1063/5.0300556
