【国内论文】福建物构所：基于a-Sb₂O₅/a-Ga₂O₃异质结的双极响应深紫外光探测器在加密与抗干扰通信中的应用

        由中国科学院福建物质结构研究所的研究团队在学术期刊 Materials Horizons 发布了一篇名为 A bipolar response deep ultraviolet photodetector for encryption and anti-interference communication based on an a-Sb₂O₅/a-Ga₂O₃ heterojunction（基于 a-Sb₂O₅/a-Ga₂O₃  异质结的双极响应深紫外光探测器在加密与抗干扰通信中的应用）的文章。

        本工作得到先进材料国家科技重大专项2030、中国工业和信息化部06重大专项（2024ZD0606000）、中国国家重点研发计划（2022YFB3605700）、 福建省科技计划重点项目（2024H0033、2022H0043）、国家自然科学基金（51832007、51872286）、国家自然科学基金区域创新发展专项基金 （U21A20508）、福建省光电子信息科技创新实验室（2021ZR204、2020zz108）以及中国科学院福建物质结构研究所“十四五”重点建设项目（E255KL0101）资助。

        日盲深紫外（DUV）光电探测器在安全通信、火焰探测和环境监测等领域具有重要应用价值。β-氧化镓（β-Ga₂O₃）因其超宽禁带，是制造 DUV 探测器的理想材料。然而，传统的 Ga₂O₃ 探测器通常存在响应度低、响应速度慢等性能瓶颈，限制了其实际应用。发展具有新颖工作机制的光电器件是突破这些瓶颈的关键。其中，双极性光响应（BPR），即光电流的极性可以被外部偏压调控，为器件的多功能化（如光加密通信）提供了新的可能性。本研究旨在通过构建非晶五氧化二锑（a-Sb₂O₅）与非晶氧化镓（a-Ga₂O₃）的异质结，来探索和利用 BPR 效应，以实现高性能、多功能的 DUV 探测器。

        正光导效应（PPC）与负光导效应（NPC）的集成显著提升了光探测器功能。基于五价锑（Sb(V)）的氧化物因其显著的深能带边特性及有利于光电界面效应的优越能带对齐特性，在先进应用领域日益受到重视。基于 a-Sb₂O₅/a-Ga₂O₃ 异质结的深紫外光探测器展现出波长-电压协同双极光电流切换特性，该现象归因于界面态的载流子捕获机制。该探测器在 0 V、287 nm 条件下展现出 0.71 mA W⁻¹ 的 NPC 响应度，在 1 V、303 nm 条件下呈现 1.05 mA W⁻¹ 的 PPC 响应度。此外，在 0.5V 过渡电压下呈现双向光电流特性：短波长域表现为负光致电流（NPC），长波长域则呈现正光致电流（PPC）。基于双向光响应特性，该探测器不仅通过双极编码技术增强实时通信保密性，更借助双极通道冗余纠错机制有效降低探测器误码率。a-Sb₂O₅/a-Ga₂O₃ 异质结展现的波长-电压协同调控双极响应特性，为开发适用于特殊环境的新型光通信器件提供了显著潜力。

        ● 首次提出并成功制备了 a-Sb₂O₅/a-Ga₂O₃ 非晶异质结，并将其应用于高性能 DUV 探测。

        ● 首次在该体系中观察到偏压可调的双极性光响应，并清晰地阐明了其源于光伏效应与光栅控增强的光电导效应之间竞争与转换的物理机制。

        ● 创新性地将 BPR 效应应用于深紫外波段的安全光通信，首次实验演示了基于该原理的加密/解密和抗干扰功能，极大地拓展了光电探测器的应用维度。

        本研究采用磁控溅射技术制备了 a-Sb₂O₅/a-Ga₂O₃ 深紫外光探测器。该探测器展现出独特的双向光响应特性，其响应同时受波长和电压协同调控，并验证了其在实时加密与抗干扰通信领域的应用潜力。通过分析波长响应、时域响应及 I-V 响应可知，该探测器具有优异的光谱选择性，仅对紫外光产生响应。在 0 V 偏压下，界面捕获效应诱导出响应度为 0.71 mA W^-1 的负光电效应（NPC）；随着施加电压升高，在电场作用下 NPC 响应逐渐减弱。在 0.5 V 偏压下，同时观测到短波长（高光子能量）的 NPC 响应与长波长（低光子能量）的 PPC 响应。当电压超过 0.5 V 时，探测器在电场作用下仅呈现 PPC 响应。此外，相较于 287 nm 波长照射，303 nm 波长下 NPC 响应减弱（0 V 时为 0.63 mA W^-1），而 PPC 响应显著增强（1 V 时达 1.05 mA W^-1）。基于波长-电压协同调控的双极响应构建的深紫外通信系统，不仅实现了双极编码同步传输与实时密钥更新，增强了光通信系统的安全性；更利用双极通道冗余性进行误码检测与纠正，有效降低极端环境下探测器的误码率并提升抗干扰能力。a-Sb₂O₅/a-Ga₂O₃ 探测器在深紫外波段独特的波长-电压控制光电流极性切换特性，展现出在加密通信与抗干扰通信领域的卓越潜力，为开发创新型多功能光电子器件提供了全新途径。

图1 Sb₂O₅/a-Ga₂O₃ 异质结的形态与结构表征。(a) a-Sb₂O₅/a-Ga₂O₃ 异质结界面 SEM 图像。(b) a-Sb₂O₅ 的 AFM 图像。(c) a-Sb₂O₅ 的 XPS 谱图。(d) a-Ga₂O₃ 的 AFM 图像。(e) 和 (f) a-Ga₂O₃ 的 XPS 谱图。

图2 a-Sb₂O₅/a-Ga₂O₃ 双极探测器的结构与光电响应测量。(a) a-Sb₂O₅/a-Ga₂O₃ 探测器示意图。(b) a-Sb₂O₅ 与 a-Ga₂O₃ 的紫外透射光谱及带隙图。(c) 不同电压下探测器的波长响应曲线。 (d) 287 nm 与 303 nm 波长下的 I-V 曲线图。 (e) 和 (f) 不同波长下探测器的功率密度依赖性时域光响应曲线。

图3 探测器在287 nm和303 nm波长下的双极性光响应。(a) 和 (b) 探测器在287 nm波长下电压依赖的双极性光响应。(c) 287 nm波长下光电流的上升与下降时间。(d) 和 (e) 303 nm波长下探测器的电压依赖性双极性光响应。(f) 303 nm波长下光电流的上升与下降时间。

图4 a-Sb₂O₅/a-Ga₂O₃ 双极探测器的能带示意图及界面载流子转移机制。（a）a-Sb₂O₅ 的UPS光谱（b）a-Ga₂O₃ 的 UPS 光谱。（c）探测器在 0 V 下的 NPC 响应机制。（d）探测器在 1 V 下的 PPC 响应机制。

图5 结合 NPC 与 PPC 双极响应的光通信系统示意图。其中 NPC 响应作为传输实时密钥的关键信道，PPC 响应则作为传输经实时密钥加密信息的信道。

图6 双极光通信系统的两种通信模式。（a）光通信系统中的实时加密模式。（b）光通信系统中的抗干扰与纠错模式。

DOI：

doi.org/10.1039/D5MH01415H