【会员论文】ACS AMI丨南方科技大学、费萨尔国王大学团队利用h-BN/β-Ga₂O₃异质结构实现96.7 A/W高响应日盲偏振紫外探测

        由南方科技大学、费萨尔国王大学的研究团队在学术期刊 ACS Applied Materials & Interfaces 发布了一篇名为 Geometry-Driven Performance Enhancement in h-BN/β-Ga₂O₃ Heterostructures for Solar-Blind and Polarization-Sensitive Photodetection（构型调控提升 h-BN/β-Ga₂O₃ 异质结日盲偏振光电探测性能）的文章。

        日盲紫外探测器仅响应 200–280 nm 波段，大气臭氧可完全屏蔽该波段自然光，探测背景噪声极低，在火焰监测、臭氧检测、环境传感等光电系统中具备不可替代价值。现有主流日盲材料 AlGaN、ZnMgO 依赖外延沉积，制备设备昂贵、工艺复杂，且高掺杂易引入晶格缺陷，限制器件灵敏度。β-Ga₂O₃ 本征超宽禁带约 4.8 eV，无需滤光片即可实现日盲探测，单晶衬底成本低廉，是极具潜力的候选材料，但纯 β-Ga₂O₃ 载流子收集效率差、光电响应偏弱。

        六方氮化硼（h-BN）为二维范德华绝缘材料，表面无悬挂键，可作为钝化层优化异质结界面。当前鲜有研究系统对比横向、纵向两种 h-BN/β-Ga₂O₃ 器件构型对探测性能的影响，同时兼具高响应与偏振识别的低成本剥离型异质结方案仍有待开发。本文采用机械剥离干法转移制备洁净范德华界面，对比两种器件结构的光电、偏振特性，揭示构型调控对载流子分离的增强机制，为简易高性能日盲偏振探测器提供新思路。

        日盲紫外光电探测器受到广泛关注，但现有器件普遍存在载流子收集效率低下、薄膜制备工艺复杂等性能瓶颈。本文采用机械剥离法制备 h-BN/β-Ga₂O₃ 异质结，探究构型调控对器件性能的提升效果，为外延工艺提供简易低成本替代方案。剥离制备的 β-Ga₂O₃ 可在 200–405 nm 宽光谱区间产生光电响应；通过系统对比纵向、横向两种异质结器件结构，证实器件构型是决定光电探测性能的核心因素。纵向 h-BN/β-Ga₂O₃ 器件的日盲探测性能大幅提升，在 230 nm 光照下响应度高达 96.7 A/W，外量子效率达到 52258%，显著优于横向器件（5.0 A/W、2317%）与纯 β-Ga₂O₃ 器件（0.29 A/W、135%）。偏振分辨测试表明纵向器件具备各向异性光电响应，二向色比约为 2.1。界面电势表征证实异质结内部存在内建电场，可高效分离光生载流子。该研究证明构型设计是基于简易剥离异质结实现高性能日盲偏振光电探测的有效策略。

        ①采用机械剥离+干法转移无外延工艺制备洁净 h-BN/β-Ga₂O₃ 范德华异质结，大幅降低器件制备门槛与成本；

        ②首次系统对比横向、纵向两种器件构型的光电性能，证实纵向结构可大幅缩短载流子输运路径、强化界面内建电场作用；

        ③纵向器件 230 nm 下响应度 96.7 A/W、外量子效率 52258%，分别是横向器件、纯氧化镓器件的 19 倍、333 倍，响应速度显著加快；

        ④纵向异质结实现偏振敏感探测，二向色比达 2.1，优于横向器件，拓宽氧化镓器件在偏振成像领域应用；

        ⑤KPFM 表征直接观测到 638 mV 界面电势差，阐明能带弯曲与内建电场驱动载流子分离的完整物理机制。

        综上，本研究证实器件构型是决定 h-BN/β-Ga₂O₃ 异质结光电探测性能的关键因素。纵向结构可显著提升日盲紫外探测能力，在 230 nm 波长下实现 96.7 A/W 的响应度与 52258% 的外量子效率，性能远优于横向器件与纯 β-Ga₂O₃ 光电探测器。除光电性能提升外，偏振分辨测试证实器件具备明显各向异性光电响应，其中纵向异质结的二向色比可达 2.1。界面电势分析证明 h-BN/β-Ga₂O₃ 结区存在内建电场，能够高效分离光生载流子并降低复合损耗。同时纵向器件响应速度更快，上升时间约 11 ms，横向器件上升时间 19 ms，纯 β-Ga₂O₃ 器件则长达 55 ms。上述结果表明，构型调控界面工程是一种高效、可规模化的方案，可基于剥离型异质结制备高性能日盲偏振光电探测器。

        本研究得到国家自然科学基金（项目编号W2432040）、广东省基础与应用基础研究基金（2023ZT10X010、2024A1515010179）、深圳市声子学与智能热材料重点实验室（SYSRD20250529114001002，深圳518055）资助；同时得到沙特费萨尔大学研究生院与科研副院长办公室年度科研项目支持（项目编号KFU260631）。