【国内论文】ACS AMI丨长春理工大学：基于Al/p-GaN/In:Ga₂O₃/SnO₂结构的自供电波长选择性紫外双极光探测器在安全光通信中的应用

        由长春理工大学的研究团队在学术期刊 ACS Applied Materials & Interfaces 发布了一篇名为 Self-Powered Wavelength-Selective Ultraviolet Bipolar Photodetector Based on Al/p-GaN/In:Ga₂O₃/SnO₂ Structure for Secure Optical Communication（基于Al/p-GaN/In:Ga₂O₃/SnO₂结构的自供电波长选择性紫外双极光探测器在安全光通信中的应用）的文章。

        在当前的信息时代，自由空间光通信（FSO）凭借其高传输速率和高可靠性，在军事、航空及保密通信中占据了核心地位。然而，这种通信方式在传输过程中不可避免地会面临信号衰减以及被截获、被破解的风险，这使得寻找更安全的物理载体成为当务之急。日盲紫外（Solar-blind UV）波段由于其独特的物理特性，为解决上述问题提供了可能。地球大气的臭氧层几乎完全吸收了波长在 200 到 280 nm 之间的太阳紫外线，这意味着在地面环境中，这一频段的天然背景噪声几乎为零。利用这一特性开发的探测器能够获得极高的信噪比（SNR），即使在强光干扰下也能精准识别信号。然而，现有的紫外探测器大多只能产生单一极性的电流，即只能识别信号的有无。为了构建更复杂的加密协议，科学家们迫切需要能够根据光波长产生正负交替电流的“双极型”探测器。通过光电流方向的极性切换，可以实现更高级别的逻辑编码和解密，但目前在日盲紫外领域，兼具自驱动能力和高波长选择性的双极探测器仍非常稀缺。

        自由空间光通信（FSO）因其高数据速率和高可靠性等优势，被广泛应用于关键领域。然而，传输过程中的信号衰减与泄漏带来了严峻的信息安全挑战。相较于易受背景光干扰的可见光和红外光谱区域，日盲紫外光通信具有固有的高信噪比（SNR）优势。然而，在此波段工作的新型加密光探测器尚未得到充分探索。本研究设计并制备了基于 Al/p-GaN/In:Ga₂O₃/SnO₂ 结构的自供电紫外光探测器，其异质结与肖特基结协同调控特性尤为突出。该光探测器展现出独特的波长选择性双极光响应特性：在 254 nm 波长照射下产生负光电流，而在 365 nm 波长照射下产生正光电流。在零偏压条件下，该探测器分别在 254 nm 和 365 nm 波长下达到 −5 mA/W 和 0.52 mA/W 的响应度，以及高达 −7.2 × 10¹¹ Jones 和 7.47 × 10¹⁰ Jones 的特定灵敏度。基于该光探测器的独特物理特性，演示了安全光通信（SOC）系统。该系统利用不同紫外波长产生的正负光电流作为二进制信号（“1”和“0”）进行信息加密，接收端通过预设密钥文件实现解密。实验结果表明，该系统在零偏压条件下成功实现了字符串 “CUST” 的加密传输与精确解密。这项工作不仅为开发高性能多功能双极紫外光探测器提供了新策略，更为制造新一代高安全性、低功耗光通信系统开辟了创新且可行的技术路径。

        ● 在氧化镓基自驱动探测器中实现了随波长变化的双极性光电流响应。这种“极性编码”能力为光通信提供了一种全新的调制维度。

        ● 打破了单一结区对电荷传输方向的束缚，通过异质结和肖特基结的有机结合，实现了对光生载流子路径的动态操控。

        ● 器件无需外部电源供电，极大简化了通信系统的电路复杂性，并提升了在极端环境下的部署灵活性。

        基于 Al/p-GaN/In:Ga₂O₃/SnO₂ 异质结结构，设计并制备了一种自供电紫外（UV）光探测器。通过巧妙的能带设计，该探测器实现了独特的双极性光响应特性：在 254 nm 深紫外照射下产生负光电流，而在 365 nm 近紫外照射下产生正光电流。该探测器在零偏压条件下展现出强劲的响应能力。基于此独特双极特性，创新构建了新型安全光通信系统。该系统利用波长依赖的正负光电流作为初始信号，通过与密钥叠加处理，成功以加密形式传输字符串 “CUST”，并在零偏压条件下实现精确解密。本研究验证了该方案保障信息传输安全可靠性的可行性和优越性。此外，本研究为多功能紫外双极光探测器的开发及其在安全通信领域的应用提供了可行策略。

        本工作得到吉林省科技发展项目资助，项目编号：20250102159JC，20240101325JC。

图1. Al/p-GaN/In:Ga₂O₃/SnO₂ 光探测器的制备流程示意图。

图2. (a) p-GaN、p-GaN/In:Ga₂O₃ 及 p-GaN/In:Ga₂O₃/SnO₂ 薄膜的 XRD 衍射图谱。(b) SnO₂、(c) In:Ga₂O₃ 及 (d) p-GaN 薄膜的归一化吸收光谱。插图显示 (αhυ)² 与 hυ 之间的关系。

图3. (a) p-GaN/In:Ga₂O₃ 薄膜与 (b) p-GaN/In:Ga₂O₃/SnO₂ 薄膜的俯视扫描电子显微镜图像。In:Ga₂O₃ 薄膜的 (c) Ga 2p 与 (d) In 3d XPS 能谱。SnO₂ 的 (e) Sn 3d XPS 能谱。

图4. (a) p-GaN 在暗环境下的 I-V 曲线。插图显示 SnO₂ 在暗环境下的 I-V 曲线。(b) Al/p-GaN/ In:Ga₂O₃/SnO₂ 光探测器在暗态、254 nm（1.6 mW/cm²）及 365 nm（1.15 mW/cm²）照射下的半对数 I-V 曲线。光探测器在零偏压下 (c) 254 nm 和 (d) 365 nm 照射下的瞬态光响应曲线。光探测器在零偏压下 (e) 254 nm 和 (f) 365 nm 照射下单响应周期的瞬态光响应曲线。

图5. (a) Al/p-GaN/In:Ga₂O₃/SnO₂ 光探测器在 254 nm 照射下不同光强和零偏压条件下的瞬态光响应曲线。(b) 光探测器在 254 nm 照射下不同光强和零偏压条件下的响应度 (R) 与检出率 (D*) 曲线。(c) 光探测器在 365 nm 照射下不同光强和零偏压条件下的瞬态光响应曲线。(d) 光探测器在 365 nm 照射下不同光强和零偏压条件下的响应度 (R) 与检出率 (D*) 曲线。

图6. (a) SnO₂、(b) In:Ga₂O₃ 和 (c) p-GaN 的 XPS 价带谱。(d) 光探测器的示意结构。(e) Al、SnO₂、In:Ga₂O₃ 及 p-GaN 的能带图。Al/p-GaN/In:Ga₂O₃/SnO₂ 异质结光探测器在 (f) 254 nm 和 (g) 365 nm 光照下的载流子传输示意图。

图7. Al/p-GaN/In:Ga₂O₃/SnO₂ 光探测器在安全光通信中的应用：（a）测试系统示意图；（b）Al/p-GaN/In:Ga₂O₃/SnO₂ 光探测器实现安全光通信原理示意图。

DOI：

doi.org/10.1021/acsami.5c20002