【会员论文】厦门大学杨伟锋教授团队：利用Al纳米颗粒等离子体特性提升自供电日盲CuCrO₂/β-Ga₂O₃异质结光电探测器性能

        本工作得到国家自然科学基金项目（62171396）的资助。

        β-Ga₂O₃ 具有优异的热化学稳定性，其禁带宽度较大，约为4.9 eV，被认为是最适合构建自供电日盲光电探测器（PD）的材料。在多种结构的自供电 β-Ga₂O₃ PD 中，具有更高响应度（R）、更快响应速度的异质结PD成为更常用的类型。由于 p 型 β-Ga₂O₃ 难以获得，一般采用不同的 p 型材料（例如 CuCrO₂ 等）与 n 型 β-Ga₂O₃ 组合，制成异质结 PD。然而，由于受到载流子阻塞和非理想能带排列的限制，这些器件仍然存在相对较低的R和较低的外量子效率（EQE），这在很大程度上限制了它们的实际应用。Al 纳米颗粒（NP）作为最重要的等离子体 NP 之一，能够产生局域表面等离子体共振（LSPR）效应并形成局域电场，这是提升 PD 性能的有效途径，因为这种效应和形成的电场能够提高载流子的注入效率。更重要的是，LSPR 效应和局域电场的共同作用可以加快光生载流子的产生速率并提高其分离速度，有望改善由非理想能带排列导致的载流子阻塞问题，从而克服 β-Ga₂O₃ 基异质结 PD 面临的困境。

        研究团队首次展示了通过创新性地引入Al NP来显著提高自供电日盲 CuCrO₂/β-Ga₂O₃ 异质结PD性能的方法。这些Al纳米颗粒是通过简单的电子束蒸发技术制备，并经过后续高温退火处理得到的。在零偏压下，含有 Al NP 的 PD 的暗电流仅为3.67 pA，比不含 Al NP 的 PD 的暗电流（6.7 pA）降低了1.8倍。不含 Al NP 的 PD 的最高 R、比探测率（D*）和 EQE 分别为 28.53 mA/W、2.07 × 10¹² Jones 和 14.0%，而含有 Al NP 的 PD 的最高 R、D* 和 EQE 分别为 0.82 A/W、8.09 × 10¹³ Jones 和 402.8%，后者的三项性能指标分别为前者的 28.9倍、39 倍和 28.9 倍。显然，含有 Al NP 的 CuCrO₂/β-Ga₂O₃ PD，其 R、D* 和 EQE 都得到了显著提高，这种 PD 的性能优于大多数已报道的 β-Ga₂O₃ 基异质结 PD。含有 Al NP 的 CuCrO₂/β-Ga₂O₃ PD 性能的改善可归结为：在 254 nm 光照下，Al NP 产生的 LSPR 效应和形成的局域电场提高了空穴注入效率。此外，LSPR 效应和局域电场的共同作用不仅可以加快光生载流子的产生速率，还能提高光生载流子的分离速度。这些效应有助于产生更大的光电流，从而提高 PD 的性能。

        研究团队通过简单的电子束蒸发和随后的高温退火工艺，制备了具有 Al NP 结构的高性能自供电日盲 CuCrO₂/β-Ga₂O₃ 异质结 PD，并对其性能进行了研究。与不含 Al NP 的 CuCrO₂/β-Ga₂O₃ PD 相比，含有 Al NP 的 CuCrO₂/β-Ga₂O₃ PD 的 R、D* 和 EQE 分别提高了 28.9 倍、39 倍和 28.9 倍。这些 PD 的暗电流低至 3.67 pA，R 高达0.82 A/W，D* 高达 8.09 × 10¹³ Jones，EQE 高达 402.8%，其性能可以与大多数已报道的基于 β-Ga₂O₃ 的异质结 PD 相媲美。这种出色的性能可归因于 Al NP 产生的局域电场和 LSPR 效应，这有利于提高空穴注入效率，加快光生载流子的产生速率并提高其分离速度。本研究表明，利用 Al NP 对器件表面进行修饰是一种有效且易于控制的提高日盲探测器性能的方法。

图1. (a) 不含Al NP和含有Al NP的CuCrO₂/β-Ga₂O₃薄膜的XRD图谱。插图显示了2θ在35°~40°范围内的XRD图谱。 (b) 含有Al NP的CuCrO₂/β-Ga₂O₃ PD的结构示意图。 (c) 不含Al NP和 (d) 含有Al NP的CuCrO₂的SEM图像。 (e) 不同蒸发时间下含有Al NP的CuCrO₂/β-Ga₂O₃ PD的暗电流和光电流。 (f) 在零偏压、不同蒸发时间条件下含有Al NP的CuCrO₂/β-Ga₂O₃ PD的光暗电流比。

图2. (a) 不含Al NP和 (b) 含有Al NP的CuCrO₂/β-Ga₂O₃ PD在0 V时的光谱响应。 (c) 不含Al NP和含有Al NP的CuCrO₂/β-Ga₂O₃薄膜的吸收光谱。 (d) 不含Al NP和含有Al NP的CuCrO₂/β-Ga₂O₃ PD的暗电流。 (e) 不含Al NP和 (f) 含有Al NP的CuCrO₂/β-Ga₂O₃ PD在254 nm光照、不同光强条件下的I-V曲线。

图3. (a) 不含Al NP和 (b) 含有Al NP的CuCrO₂/β-Ga₂O₃ PD的PDCR&R与不同光强的依赖关系。 (c) 不含Al NP和 (d) 含有Al NP的CuCrO₂/β-Ga₂O₃ PD的D*&EQE与不同光强的依赖关系。

图4. Al NP/CuCrO₂肖特基结的能带示意图，其中“e”代表电子，“h”代表空穴。

DOI：

10.1109/JSEN.2024.3491799