【国内论文】黄河科技学院：通过Er掺杂实现光电探测和电致发光集成器件的日盲紫外信号可视化

        由黄河科技学院的研究团队在学术期刊 Journal of Alloys and Compounds 发布了一篇名为 Towards solar-blind ultraviolet signal visualization of photodetection and electroluminescenc integrated devices through Er doping（通过铒掺杂实现光电探测和电致发光集成器件的日盲紫外信号可视化）的文章。

        本研究得到郑州市基础研究和应用基础研究专项资金项目（ZZSZX202402）、河南省高校科技创新人才计划（24HASTIT002）以及黄河科技学院博士创业基金（0203240058）的资助。

        日盲深紫外（DUV）光电探测器在火焰预警、安全通信等领域具有重要应用价值。β-氧化镓（β-Ga₂O₃）是制造此类探测器的理想材料，因为它具有超宽禁带，能实现高灵敏度的日盲探测。然而，DUV 光本身是不可见的，并且对人体有害，这使得对 DUV 信号的直接监测既困难又不安全。因此，开发一种能够将不可见的 DUV 信号可视化的智能器件，具有重大的实际应用意义。稀土元素掺杂是一种实现光子上下转换的有效手段，Er³⁺ 离子可以在电激发下发出特征性的绿色和红色可见光。

        基于 Ga₂O₃ 的日盲紫外光探测器在火焰与电弧检测领域具有重要应用潜力，但其器件性能受限于晶体质量差与暗电流高的问题。同时，集成多种光电功能有助于缩小器件尺寸并提升反馈速度。稀土掺杂作为有效优化策略，不仅能提升探测器光响应性能，还能赋予其电致发光功能。本文提出有机前驱体分解合成策略制备 Er 掺杂 Ga₂O₃ 薄膜，构建 Ga₂O₃:Er/SiO₂/p-Si 异质结器件。通过降低暗电流、抑制氧缺陷及提高浅能级陷阱浓度，显著提升光探测器性能。在 254 nm 光照射下，器件分别达到响应度∼5.25 × 10³ mA W⁻¹、检出率 ∼3.67 × 10¹⁴ Jones 及响应时间 ∼50 μs。器件在高反向电压下呈现的 Er 相关电致发光现象，可归因于齐纳隧道主导的电输运行为所诱导的热电子效应。此类集光电检测与电致发光功能于一体的器件，实现了光-电-光信号转换及紫外信号可视化。本研究对开发高性能日盲紫外探测器及多功能集成器件具有重要意义。

        • 提出一种新型柔性 Ga₂O₃ 基薄膜合成方法。

        • Er 掺杂可显著提升 Ga₂O₃ 基日盲紫外探测器性能。

        • 器件在 254nm 光照射下达到约 3.67×10¹⁴ Jones 的探测灵敏度。

        • 同构器件在反向电压下展现出稀土离子的特征电致发光性能。

        • 集成器件实现光-电-光信号转换，并可视化紫外信号。

        本文报道已开发出一种通用且灵活的合成方法，可制备未掺杂及稀土掺杂的 Ga₂O₃ 薄膜，用于构建 Ga₂O₃ 相关光电子器件。Er 掺杂可提升 Ga₂O₃ 的晶体质量、减少氧缺陷、缩窄带隙并增加浅能级陷阱浓度，从而抑制暗电流并改善紫外光探测器的光响应性能。在 254 nm 光照射下、-1 V 电压条件下，所制备器件的响应度 R、比探测率 D* 及响应时间分别为 ~5.25 × 10³ mA W⁻¹、~3.67 × 10¹⁴ Jones 和 ~50 μs。同时，该器件在高反向电压下展现出稀土相关电致发光行为，这可归因于热电子主导的电学传输行为中，稀土离子通过热电子碰撞激发产生的发光效应。此外，器件的稀土相关电致发光行为会随电流变化受到外部光照影响。因此该器件可在紫外光或电弧照射下实现光-电-光信号转换。本工作为高性能日盲紫外探测器开发、光响应与电致发光功能集成以及紫外信号可见反馈提供了新思路。

图1. (a) Ga₂O₃:Er 薄膜的合成过程。(b) 合成 PVA-Ga-Er 薄膜和 Ga₂O₃:Er 薄膜的典型相机照片。PVA-Ga-Er 复合薄膜的横截面光学图像（上图）、Ga₂O₃:Er 薄膜的光学图像（中图）以及对应的原子力显微镜图像（下图），分别对应前驱体溶液体积为 (c) 5 mL、(d) 10 mL、 (e) 15 mL，(f) 20 mL 时分别获得的典型相机照片。(g) 不同厚度 Ga₂O₃:Er 薄膜的厚度曲线，(h) δ_G 与 δ_P 的依赖关系。(i) RGB 色彩模型中 R 通道的色彩-厚度关系。

图2. (a) XRD衍射图谱，(b) EPR 谱图，(c) XPS O1s 谱图，(d) XPS Ga2p 谱图，(e) 价带谱图，(f) 不同 Er 掺杂浓度薄膜的吸收光谱曲线。 (g) 不同 Er 掺杂浓度下异质结的能带特征。

图3. (a) 未掺杂 Ga₂O₃ 与 (b) Ga₂O₃:Er 纳米材料的透射电子显微镜图像。 (c) 未掺杂 Ga₂O₃ 与 (d) Ga₂O₃:Er 纳米材料的高分辨率透射电子显微镜图像。 (e) 未掺杂 Ga₂O₃ 与 (f) Ga₂O₃:Er 纳米材料的衍射图谱。(g) Ga₂O₃:Er 纳米材料的高角环形暗场图像及不同元素分布。

图4. (a) 多层异质结器件结构示意图。(b) 器件局部截面SEM图像及EDS元素分布。(c) 不同掺杂浓度器件在单对数坐标系下的暗场 I-V 曲线。(d) 不同器件在 -1 V 电压下，交替切换 254nm@1.55μW/cm² 光源时的光电流-时间曲线。(e) 掺杂浓度为 3mol%Er 的器件在不同 254nm 功率密度下的光电流-时间曲线，(f) I_ph-P 的数值依赖关系。(g) 器件精确响应时间。(h) 受光照条件下异质结的电荷转移机制。(i) 器件温度分布的红外热成像图及 (j) 不同温度下的对应 I-t 曲线。

图5. 分别在 −0.9 mA 电流下测得的 (a) Er 掺杂、(b) Eu 掺杂和 (c) Tm 掺杂器件的电致发光光谱，其中插图为暗场数码相机图像。(d) Er³⁺、Eu³⁺ 和 Tm³⁺ 离子的能级结构。(e) 不同稀土掺杂器件的暗场相机图像，呈现设计好的“H”、‘S’、“T”和“C”图案。(f) 局部电致发光光谱对器件电流的依赖关系，以及 I_EL@550nm 与电流 I 之间的关联。(g) 高反向电压下的 I-V 曲线。(h) 电致发光与光致发光特性中 550 nm 波长强度衰减曲线（其中光致发光特性曲线采用 532 nm 激光激发获得）。

图6. (a) 器件在反向电压下的可能电致发光机制。(b) 实现紫外光可视化及不同波段信号转换的对应示意图。(c) 器件在 -18 V 电压下经 254 nm 光反复照射时 I 和 I_EL@550nm 的变化曲线。(d) 不同 254 nm 光功率密度下 -18 V 电压条件下 I_EL@550nm 的变异规律，(e) I_EL@550nm 与光功率密度 (P) 的数值关联关系。(f) 实现电子设备电弧可视化监测与实时反馈的对应原理示意图。器件在反向偏压下的暗场相机图像：(g) 无电弧信号时与 (h) 有电弧信号时。(i) 脉冲电弧信号作用下 I_EL@550nm 与电流I的变化曲线。

DOI：

doi.org/10.1016/j.jallcom.2025.184772