【国际论文】用于快速宽带紫外线 (UV) 辐射检测的自供电 NiO/κ-Ga₂O₃ 异质结光电二极管

        由意大利帕尔马大学的研究团队在学术期刊 Optical Materials 发布了一篇名为 Self-powered NiO/κ-Ga₂O₃ heterojuction photodiode for fast broadband ultraviolet (UV) radiation detection（用于快速宽带紫外线 (UV) 辐射检测的自供电 NiO/κ-Ga₂O₃ 异质结光电二极管）的文章。

        该项工作得到了意大利国家复苏和韧性计划(PNRR) 第四项任务第二部分的支持，该部分由“下一代欧盟 (NextGenerationEU) ”资助： 项目 “Emilia-Romagna 可持续转型生态系统（Ecosister）”，Code ECS00000033；PRIN 项目 “基于氧化镓的 UV-C 传感器（USE GAO）”，Code 2022A4AN2F；以及项目 “MUR_DM737_A_MAFI_PARISINI DM 737 - 25.06.2021 - 基于 Ga₂O₃ 的电力电子二极管”。

        目前商用紫外（UV）探测器通常设计用于检测包括 UVA、UVB 和 UVC 在内的宽带紫外辐射，并要求低功耗运行。然而，基于窄带隙材料的探测器易吸收可见光，降低了紫外选择性，且通常需要光学滤光片。宽带紫外探测器能够在宽光谱范围内同时检测不同波长的紫外光，这在高级通信系统、空间应用、火焰探测和臭氧传感等领域至关重要。尽管单波段（选择性）和双波段紫外探测器取得了显著进展，但在整个紫外波段保持高响应度、高探测率、快速响应恢复以及无需外部电源（自供电）运行仍是技术挑战。传统硅基紫外光电探测器（PDs）因硅的间接窄带隙而存在局限性。宽禁带（WBG）半导体，如 ZnO、SiC、GaN 及其铝（Al）合金化合物，已显示出良好的光电探测能力，但也存在如 Al 组分高时外延层易降解等问题。超宽禁带（UWBG）半导体，如氧化镓（Ga₂O₃），因其优异特性（如化学稳定性、高击穿电压）被广泛研究用于下一代日盲 UVC 探测器。Ga₂O₃ 中的某些缺陷能级可能有助于亚带隙吸收，将探测范围扩展至 UVB 波段。Ga₂O₃ 有多种晶相（α, β, γ, δ, κ/ε），带隙在 4.5-5.2 eV 之间。其中，单斜晶系的 β-Ga₂O₃ 已被广泛用于高性能选择性 UVC 探测器，并显示出宽带紫外传感能力，但其低晶体对称性可能导致各向异性，影响器件性能。亚稳态正交晶系的 κ-Ga₂O₃ 因其较低的外延生长温度、各向同性的电学性质、与商用衬底（如蓝宝石）良好的外延兼容性以及高达 700°C 的热稳定性，成为紫外探测和快速 X 射线探测器的新兴候选材料。基于 p-n 结的光电二极管具有自供电工作的显著优势。由于 Ga₂O₃ 缺乏有效的 p 型掺杂，研究转向与其它 p 型半导体（如 NiO）构建异质结。NiO 稳定性高，可低温生长，且其 p 型导电性可通过调控化学计量比实现，是构建 p-n 异质结的理想材料之一。 

        提出了一种新型宽带 p-n 紫外光探测器，它集成了掺硅（Si）的超宽带隙 n 型 κ-Ga₂O₃ 外延薄膜和 p 型 NiO 多晶薄膜，以提供用于紫外检测应用的平面 NiO/κ-Ga₂O₃ p-n 异质结。所提出的器件采用圆形设计，直径为 240 μm，具有紧凑性和功能性，是首次使用平面 NiO/κ-Ga₂O₃ 光电二极管实现宽带紫外检测的演示。它可以在自供电模式下运行，无需外部电源即可进行紫外检测。该 p-n 光电二极管对 UVC 光表现出优异的灵敏度，对 UVB 和 UVA 辐射具有可接受的灵敏度。然而，对 UVA 光的响应仍然较弱，需要进一步优化二极管设计。在所有紫外照射范围内，响应和恢复时间均低于 0.8 s。所提出的光电二极管设计简单，在自供电操作中具有高性能宽带紫外检测的显著潜力。

        首次报道了基于平面 NiO/κ-Ga₂O₃ p-n 异质结的光电二极管用于宽带紫外（UVC, UVB, UVA）探测。

        实现了器件的自供电工作模式（0V 偏压），具有极低的暗电流（~0.1 pA）和可观的光电流响应。

        在自供电模式下，器件在整个紫外探测波段均表现出快速的响应和恢复时间（均 < 0.8 秒）。

        采用了简单的平面器件设计，结合 MOCVD 生长的 κ-Ga₂O₃ 和室温溅射的 NiO，为低成本制造提供了可能。

        系统表征了器件对 UVC、UVB 和 UVA 的光响应，并探讨了亚带隙响应的可能来源（NiO 吸收和 κ-Ga₂O₃ 深能级缺陷）。

        基于 NiO/κ-Ga₂O₃ p-n 异质结的自供电宽带光电探测器已成功制造并测试。通过金属有机化学气相沉积（MOVPE）生长了掺硅的 κ-Ga₂O₃ 外延层，而多晶 NiO 薄膜则通过磁控溅射在室温下沉积。采用光刻技术对器件进行精确图案化，制成直径约 240 μm 的圆形平面几何结构的二极管。该光电二极管在暗态下表现出良好的整流特性，在 UVC、UVB 和 UVA 照射下具有良好的响应度和探测率。UVC 检测效率特别高，而对于其他紫外线波段，响应度则较低。目前尚不清楚 UVB 和 UVA 光线中哪些部分是由 NiO 耗尽区检测到的，哪些部分是由于 κ-Ga₂O₃ 吸收层中深能级的光致离子化而被探测到的。在所有紫外线波段，该光电二极管均表现出快速的光响应，其上升和恢复时间均小于 0.8 s。总之，尽管该新器件概念简单，但在高性能紫外线传感应用方面显示出巨大潜力。

图 1. 具有圆形平面几何形状的 NiO/Ga₂O₃ p-n 光电二极管示意图，以及相应的制造程序说明。

图 2. (a) κ-Ga₂O₃:Si 外延层的 XRD 图样。(b) 多晶 NiO 薄膜的 XRD 图。(c) κ-Ga₂O₃：Si 外延层的 Tauc 图。(d) 多晶 NiO 薄膜的Tauc图。

DOI：

doi.org/10.1016/j.optmat.2025.117125