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【会员论文】厦门大学杨伟锋教授团队：高响应度和高探测率的自供电纳米Pt/非晶Ga₂O₃/晶态CuCrO₂异质结构日盲光电探测器

日期：2025-10-31阅读：16

由厦门大学研究团队在学术期刊 IEEE Electron Device Letters 上发表了一篇名为 Self-Powered Nano Pt/Amorphous Ga₂O₃/Crystalline CuCrO₂ Heterostructure Solar-Blind Photodetector With High Responsivity and Detectivity（高响应度和高探测率的自供电纳米 Pt/非晶Ga₂O₃/晶态CuCrO₂异质结构日盲光电探测器）的文章。

项目支持

本工作得到国家自然科学基金项目（62171396）和深圳市科技计划项目（JCYJ20240813145617023）的资助。

背景

非晶 Ga₂O₃（E_g≈4.9 eV）是一种很有前途的日盲光电探测器（SBPD）材料，因为其吸收截止波长低于 280 nm，几乎覆盖了日盲区，而无需合金化。众所周知，非晶 Ga₂O₃比晶态 Ga₂O₃具有更多种类的缺陷，能够产生更多的载流子，在日盲光照射下能够激发出更多的光生载流子。尽管载流子复合是一个令人关注的问题，但非晶 Ga₂O₃中总体更高的载流子产生速率往往起主导作用，这使得非晶 Ga₂O₃基 PD 具有更高的净光电流和响应度（R）。然而，非晶 Ga₂O₃ PD 由于存在过多的氧空位，往往表现出更高的暗电流。同时，Ga₂O₃缺乏可行的p型掺杂技术，这导致其与其他 p 型半导体（例如 CuCrO₂等）结合，从而开发出无需外部电源即可工作的自供电 SBPD。纳米 Pt 能够与非晶 Ga₂O₃形成局域肖特基结，从而抑制PD的暗电流。此外，纳米 Pt 可以产生局域表面等离子体共振（LSPR）效应并形成局域电场，从而增强 PD 的光电流。因此，纳米 Pt/非晶Ga₂O₃/晶态CuCrO₂（Pt/Ga₂O₃/CuCrO₂）异质结构可以同时实现具有低暗电流和高光电流特性的 PD。

主要内容

研究团队创新性地在 Ga₂O₃/CuCrO₂异质结表面引入功函数为 5.65 eV 的纳米 Pt，首次报道了基于 Pt/Ga₂O₃/CuCrO₂异质结构的自供电 SBPD。Pt/Ga₂O₃/CuCrO₂ PD 的最高光暗电流比（PDCR）、R、比探测率（D*）和外量子效率（EQE）分别为 3.91 × 10⁶、3.57 A/W、2.56 × 10¹⁴ Jones 和 1748.4%。与具有代表性的自供电 Ga₂O₃基异质结构 SBPD 相比，Pt/Ga₂O₃/CuCrO₂ PD 具有更大的 R 和更高的 D*，这表明其异质结构设计对提升 Ga₂O₃基自供电 SBPD 的性能具有有效性。通过 X 射线光电子能谱，研究团队确定了 Ga₂O₃/CuCrO₂界面处的 Ⅱ 型能带排列。在光照条件下，Ga₂O₃/CuCrO₂ Ⅱ 型异质结构建的内建电场有助于分离光生载流子。研究团队还讨论了纳米 Pt 影响 PD 性能、使其获得优异表现的机理。当纳米 Pt 分散在非晶 Ga₂O₃薄膜表面时，每个 Pt 纳米结构与 Ga₂O₃形成局域的肖特基结，从而抑制了 Pt/Ga₂O₃/CuCrO₂ PD 的暗电流。在 254 nm 光照下，纳米 Pt 产生的 LSPR 效应及形成的局域电场提高了电子注入效率，该效应显著增强了光电流，进而改善了 PD 的性能。

结论

研究团队制备并研究了基于 Pt/Ga₂O₃/CuCrO₂异质结构的自供电 SBPD。这些 PD 显示出 3.91 × 10⁶的高 PDCR、3.57 A/W 的高R、2.56 × 10¹⁴ Jones 的超高 D* 以及 1748.4% 的高 EQE，其性能优于大多数已报道的基于 Ga₂O₃的自供电异质结构 SBPD 的性能。这种优异的性能源于纳米 Pt 产生的局域肖特基结、局域电场和 LSPR 效应。此外，Ga₂O₃/CuCrO₂ II 型异质结促进了光生载流子的分离。本研究为实现高性能自供电 SBPD 提供了一种有价值的设计策略。

图1. (a) Pt/Ga₂O₃/CuCrO₂薄膜的XRD图谱。插图显示了Pt/Ga₂O₃/CuCrO₂ PD的结构示意图。 (b) 退火后纳米Pt的EDS元素图谱。 (c) 当Ar流量为40 sccm时O_Ⅱ/(O_Ⅰ+O_Ⅱ)作为O₂流量的函数。 (d) 退火前后Ga₂O₃/CuCrO₂异质结的Dit分布图。

图2. Pt/Ga₂O₃/CuCrO₂ PD的 (a) PDCR&R和 (b) D*&EQE与不同光强的依赖关系。 (c) Pt/Ga₂O₃/CuCrO₂PD在不同光照强度下进行的长期连续运行测试。

图3. (a) Ga₂O₃/CuCrO₂异质结和 (b) Pt/Ga₂O₃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/LED.2025.3608729