【国内论文】JAC丨中科院重庆研究院、重庆理工大学、长春理工大学：基于β-Ga₂O₃/SnO₂异质结的高性能日盲紫外光电探测器及其电晕放电探测性能

        日盲紫外光电探测器（SBUV PDs）具有高灵敏度、低噪声、强抗干扰能力等优势，在导弹识别跟踪、空间通信、环境监测及电晕检测等领域具有巨大应用潜力。传统窄带隙半导体基 SBUV PDs 存在高温性能衰减、需滤光片等问题，导致暗电流高、响应慢、高温性能差。β-Ga₂O₃ 因超宽禁带、晶体稳定性好、日盲波段吸收系数高等特点，是构建高性能 SBUV PDs 的理想材料。但 β-Ga₂O₃ 难以 p 型掺杂，难以制备同质结器件，因此常与 GaN、ZnO、SnO₂ 等宽禁带半导体构建异质结。SnO₂ 具有宽禁带、室温电子迁移率高、载流子复合率低等优点，与 β-Ga₂O₃ 晶格匹配度高，可抑制界面缺陷，提升器件光电性能。

        具有超宽禁带的 β-Ga₂O₃ 是制备日盲紫外光电探测器（SBUV PDs）的理想材料。本研究采用低成本、非真空的雾化辅助化学气相沉积（Mist CVD）法制备了高质量 β Ga₂O₃ 薄膜。在 245 nm 光照下，β-Ga₂O₃/SnO₂ 光电探测器表现出优异的光电响应与探测性能，包括 53.22 A/W 的响应度 （R）、1.28×10⁶ 的光暗电流比（PDCR）以及 2.43×10¹³ Jones 的比探测率（D*）。该异质结 SBUV PD 对微弱深紫外信号的探测能力（噪声等效功率 NEP 为 3.92×10⁻¹⁵ W/Hz¹ᐟ²）显著优于已报道的异质结 SBUV PDs。上述优异性能源于薄膜低氧空位缺陷密度与高结晶度，降低了载流子复合。此外，β-Ga₂O₃与 SnO₂ 之间形成的 I 型能带排列可在偏压下高效分离光生电子 空穴对，显著提升载流子输运效率。同时，采用 Crosslight APSYS 理论模拟阐明了器件物理机制。在电晕放电模拟实验中，该探测器可有效探测极微弱的日盲紫外信号（~11 nW/cm²）。本研究结合实验与模拟，有望推动高性能 β-Ga₂O₃ 基 SBUV PDs 的进一步探索。

        ● 采用低成本非真空 Mist‑CVD 工艺制备 β‑Ga₂O₃/SnO₂ 异质结日盲紫外探测器，薄膜结晶度高、氧空位缺陷密度低。

        ● 器件实现 53.22 A/W 高响应度、2.43×10¹³ Jones 高比探测率、3.92×10⁻¹⁵ W/Hz¹ᐟ² 超低噪声等效功率，综合性能优于多数已报道异质结器件。

        ● 明确 β‑Ga₂O₃/SnO₂ 为 I 型能带排列，内建电场高效分离光生载流子，结合理论模拟揭示器件工作机制。

        ● 成功实现微弱电晕放电信号探测，最低可检测 11 nW/cm² 的日盲紫外信号，具备高压电力设备监测应用潜力。

        本研究采用低成本 Mist‑CVD 工艺成功制备了高性能 β‑Ga₂O₃/SnO₂ 异质结日盲紫外光电探测器。与纯 β‑Ga₂O₃ 探测器相比，该异质结器件光电性能显著提升，响应度达 53.22 A/W，比探测率为 2.43×10¹³ Jones，外量子效率（EQE）为 2.70×10⁴%。噪声等效功率（NEP）大幅降低至 3.92×10⁻¹⁵ W/Hz¹ᐟ²，表明器件具备极微弱信号探测能力。此外，理论模拟揭示了器件的物理机制，与实验结果一致。最后，该异质结探测器成功应用于模拟高压电晕放电检测系统，可探测低至 11 nW/cm² 的日盲紫外信号。本研究结果为制备高性能、低成本日盲紫外探测器提供了支撑，在高灵敏度电晕检测领域具有实际应用潜力。

        本工作得到以下项目资助：国家自然科学基金（51574054）、重庆市科学技术局项目（CSTB2025TIAD STX0017）、重庆市教育委员会与科学技术局联合基金（CSTB2025NSCQ LZX0071、CSTB2024NSCQ LZX0022）、重庆理工大学项目（gzlcx20243305）。

图 1 薄膜制备流程与器件制备流程

图 2 (a) β-Ga₂O₃、SnO₂及 β-Ga₂O₃/SnO₂ 异质结的 XRD 图谱；(b) SnO₂与 β-Ga₂O₃ 薄膜的表面 SEM 图像；(c) β-Ga₂O₃/SnO₂ 异质结的截面 SEM 图像；XPS 光谱：(d) β-Ga₂O₃ 与 SnO₂ 的全谱，(e) β-Ga₂O₃ 与 SnO₂的 O 1s 谱，(f) Ga 2p 谱，(g) Sn 3d 谱；紫外 - 可见吸收光谱：(h) β-Ga₂O₃ 薄膜，(i) SnO₂ 薄膜，各图谱内插图为 (αhν)² 随 hν 的变化曲线

图 3 (a) 不同光强下的 I-V 曲线；(b) 不同偏压下的 I-T 曲线；(c) 不同光强下的 I-T 曲线；(d) 35 V 偏压下电流上升与衰减过程的实验及拟合曲线；不同光强下：(e) 光暗电流比 (PDCR)、(f) 响应度 (R)、(g) 外量子效率 (EQE)、(h) 噪声等效功率 (NEP)、(i) 比探测率 (D*)；(j) 长期稳定性测试

图 4 245 nm 光照、不同光功率密度下 β-Ga₂O₃/SnO₂ 光电探测器的理论模拟；光子吸收密度：(a) 7 μW/cm²、(b) 35 μW/cm²；光生载流子产生率：(c) 7 μW/cm²、(d) 35 μW/cm²；总电流密度：(e) 7 μW/cm²、(f) 35 μW/cm²

图 5 核心能级与价带顶：(a) β-Ga₂O₃、(b) SnO₂、(c) β-Ga₂O₃/SnO₂；(d) 平衡态下 β-Ga₂O₃/SnO₂ 异质结的能带图；245 nm 光照下 β-Ga₂O₃/SnO₂ 的能带图：(e) 正偏压、(f) 反偏压

图 6 (a) 模拟电晕放电探测系统示意图；(b) 入射光强度随探测距离的变化曲线；(c) 不同距离下 β-Ga₂O₃/SnO₂ 光电探测器的电晕放电探测结果

DOI：

doi.org/10.1016/j.jallcom.2026.187953