【国内论文】上海电机学院王相虎教授团队：β-Ga₂O₃/BP异质结用于深紫外和红外窄带双频带光检测

        由上海电机学院的研究团队在学术期刊 Chinese Physics B 发布了一篇名为 β-Ga₂O₃/BP heterojunction for deep ultraviolet and infrared narrowband dual-band photodetection（β-Ga₂O₃/BP异质结用于深紫外和红外窄带双频带光检测）的文章。

        在复杂的现代战争和环境监测中，单一波段的探测器容易受到干扰，导致漏检或误报。结合深紫外（DUV）和红外（IR）的双波段探测器可以显著提高目标识别的准确性。传统的紫外探测器常用带隙约 3.4 eV 的材料，这使得对 320-400 nm 的 UVA 也异常灵敏，导致在日盲探测应用中信噪比降低，进而必须依赖滤光片。目前报道的许多异质结双波段探测器采用自供电模式，虽然无需外接电源，但光生载流子的分离效率低，导致探测器的响应度通常很低，限制了实际应用。β-Ga₂O₃ 具有超宽带隙，天然具有日盲特性，可完美屏蔽 UVA 和可见光干扰。黑磷（BP）作为优秀的二维材料，具有层数依赖的可调带隙和极高的载流子迁移率，是优异的红外探测材料。相比于 β-Ga₂O₃ 与其他二维材料的结合，β-Ga₂O₃/BP 界面缺陷密度更低，且能形成有利于电荷分离的 II 型能带排列。

        开发能够同时检测深紫外（DUV）和红外（IR）的高性能双波段光探测器（PD）对于先进光电子应用至关重要，尤其在导弹预警和目标识别系统中。传统 UV/IR 探测器常因采用窄带隙半导体及自供电工作模式，而遭受紫外波段（320–400 nm）噪声干扰且响应度受限。为应对这些挑战，通过金属有机化学气相沉积法（MOCVD）在 c 面蓝宝石衬底上外延生长出高质量 β-Ga₂O₃ 薄膜，其展现出优异的结晶度和表面形态。与传统异质结（β-Ga₂O₃/石墨烯或 β-Ga₂O₃/TMD）不同，β-Ga₂O₃/BP 结构既利用 BP 可调带隙与高载流子迁移率特性，又保持强 II 型能带对齐，从而在紫外与红外光照下均实现高效电荷分离。提出基于 β-Ga₂O₃/BP pn 异质结的高灵敏度双波段光电二极管。β-Ga₂O₃ 的超宽带隙可选择性检测深紫外光，同时有效抑制长波紫外线（UVA，320-400 nm）干扰；而 BP 则提供层依赖性红外响应。光电流分析揭示出不同的载流子传输机制：紫外照射下电子主导传输，红外照射下空穴贡献显著。对电压依赖性光响应的系统研究表明，响应度在较高电压下显著提升。在 7 V 偏压下，器件于 254 nm 波长处展现出 4.63 × 10⁻² mA/W 的高响应度，850nm 波长处达 2.35 × 10⁻³ mA/W。本研究不仅为开发高性能双波段光电探测器提供了可行策略，更深化了对异质结光电器件在军事与传感应用领域的认知。

        ● 不同于许多使用机械剥离或低质量薄膜的研究，本文基于 MOCVD 生长的高质量 β-Ga₂O₃ 外延层构建异质结，奠定了高性能器件的材料基础。

        ● 突破了传统异质结探测器常受限于自供电模式低响应度的瓶颈。通过施加偏压，显著提升了器件性能。

        ● 明确阐述了利用 β-Ga₂O₃ 实现天然日盲和利用 BP 实现红外响应的互补机制，并分析了 II 型能带结构在不同波段下的载流子输运主导权。

        研究团队提出并演示了用于深紫外和红外窄带双波段光探测的超快响应 β-Ga₂O₃/BP 异质结。此外，系统研究了偏压电压对双波段光探测器灵敏度的影响。结果表明，光探测器的性能（包括灵敏度）随偏压电压的增加而提升。该器件在紫外与红外辐射下展现出卓越的光谱响应特性，响应度值分别为 4.63×10⁻² mA/W 和 2.35×10⁻³ mA/W。这些成果表明 β-Ga₂O₃/BP 异质结在 UV/IR 双波段检测领域具有广阔的应用前景，为实现高性能双波段光探测器提供了重要参考。

图1. (a) 基于 β-Ga₂O₃/BP pn 异质结制备的紫外/红外光探测器光学显微镜图像。(b) 原子力显微镜图像（扫描范围：15.3 µm × 15.3 µm）。(c) β-Ga₂O₃ 薄膜的 X 射线衍射图谱；插图显示 (-201) 衍射峰，其半高宽为 1.04°。(d) BP 薄片的拉曼光谱。

图2. (a) β-Ga₂O₃/BP pn 异质结结构示意图。(b) 制备的紫外/红外光探测器在室温下暗态及 193 nm 和 980 nm 光照下的 I-V 特性曲线。(c) 零偏压下 β-Ga₂O₃/BP pn 异质结经 UV/IR 照射的示意图。(d) 反向偏压下 β-Ga₂O₃/BP pn 异质结经 UV/IR 照射的能带图。

图3. (a) 器件的光电流响应随激光能量的变化曲线。(b) UV/IR 光探测器在 3 V、5 V 和 7 V 偏压下的光谱响应度。(c) 器件在 1 V、3 V 和 5 V 偏压下器件的瞬态光响应。(d) 显示器件上升和衰减行为的瞬态光电响应。

DOI：

doi.org/10.1088/1674-1056/adea9d