【会员论文】EEM丨湖北大学&武汉纺织大学何云斌教授：基于简单 (YGa)₂O₃/F-SnO₂ 异质结的具备双工作模式的优异性能日盲紫外光电探测器

        由湖北大学&武汉纺织大学何云斌教授领导的研究团队在学术期刊 ENERGY & ENVIRONMENTAL MATERIALS 发布了一篇名为 Simple (YGa)₂O₃/F-SnO₂ Heterojunction-Based Solar-Blind Ultraviolet Photodetector Operable in Two Modes With Superb Performance（基于简单 (YGa)₂O₃/F-SnO₂ 异质结的日盲紫外光电探测器：具备双工作模式的优异性能）的文章。

        Energy & Environmental Materials（EEM） 是一本由 Wiley 出版的国际英文学术期刊，聚焦能源材料与环境材料领域的前沿研究，致力于发表在能源转化、能源存储及环境治理等方向具有原创性和应用潜力的高水平成果。期刊强调材料科学在可持续能源与环境技术中的核心作用，覆盖电池与储能材料、光伏与光电材料、电催化与光催化、环境催化与污染治理材料，以及新型功能氧化物和低维材料等交叉方向，注重机制理解、性能突破与器件层面研究的结合，是能源与环境交叉领域具有较高国际影响力（影响因子：13.4）的顶级期刊之一。

        日盲紫外（SBUV）光电探测器因其极低背景噪声和高灵敏度，在智能电网监测、火焰探测、医学成像、导弹预警与跟踪、空间通信等领域具有广泛应用潜力。传统基于 GaN、SiC 或 Si 的日盲探测器存在带隙限制或需要昂贵可见光滤光片的问题。近年来，超宽带隙半导体（E_g > 4.4 eV），如 Ga₂O₃、AlGaN、金刚石、MgZnO，因其带隙宽、稳定性高、可调性强而受到关注，尤其是 Ga₂O₃，可通过合金化进一步调节带隙，并适用于日盲探测。然而，Ga₂O₃ 薄膜中常见的氧空位导致暗电流高、响应时间长，限制了器件性能。通过掺杂合适的稀土元素（如 Y³⁺）形成 (YGa) ₂O₃（YGO）合金，可以有效抑制氧空位，降低暗电流、加快响应速度，同时拓宽带隙，提高对弱 SBUV 信号的灵敏度。自驱动光电探测器可在无需外部电源的情况下工作，常采用异质结或肖特基结实现光生载流子高效分离与收集。因此，引入 YGO 合金制备垂直结构的 YGO/FTO 异质结光电探测器，可在自驱动和偏压模式下实现对极弱日盲信号的高灵敏检测，兼具快速响应和高性能优势。

        氧化镓（Ga₂O₃）因其宽直接带隙（约 4.9 eV）和高稳定性，在日盲紫外（SBUV）光电探测器领域具有巨大应用潜力。本工作首次设计并制备了基于(YGa) ₂O₃/F-SnO₂（YGO/FTO）异质结的简单垂直结构 SBUV 光电探测器。由于 Y₂O₃ 的带隙（约 5.9 eV）比 Ga₂O₃ 宽，且 Y–O 键强于 Ga–O 键，YGO 合金薄膜表现出更宽的带隙（约 5.2 eV）且氧空位比纯 Ga₂O₃ 少。这使得 SBUV 光电探测器具有极低的暗电流和快速的光响应。此外，基于 YGO/FTO 的光电探测器在加偏压和自驱动模式下均表现出优异性能。在 0 V 偏压下，厚度为 246 nm 的 YGO 光电探测器显示出极低的暗电流 0.145 pA、短光响应时间 15 ms、高光电响应度 12.2 mA W^-1 和探测率 2.84×10¹² Jones。在 −10 V 偏压下，厚度为 425 nm 的 YGO 光电探测器实现了高光电流/暗电流比值 10⁶、紫外/可见光抑制比 105，以及极高的光响应度 12.3 A W^-1 和探测率 1.08×10¹⁵ Jones。这些结果表明，YGO 合金在开发用于超弱 SBUV 探测的高性能垂直结构 YGO/FTO 光电探测器方面具有极大应用前景。

        ●通过在 Ga₂O₃ 中引入 Y³⁺ 形成 (YGa)₂O₃（YGO）合金，有效减少氧空位，提高暗电流和响应时间性能，同时拓宽带隙，提高对弱日盲信号的灵敏度。

        ●首次制备了 YGO/FTO 垂直结构光电探测器，可在自驱动和偏压模式下工作，实现高灵敏、低暗电流检测。

        ●器件在不同偏压下表现出极低暗电流、快速响应、超高响应度和高探测率，展示了对极弱日盲信号的优异检测能力。

        在本研究中，报道了一种简单的日盲（SBUV）光电探测器，通过将 YGO 薄膜直接沉积在广泛可用的 FTO 衬底上制备而成，并在零偏压和负偏压条件下均表现出优异性能。通过在 Ga₂O₃ 中掺入钇元素，该光电探测器实现了超低暗电流，有效克服了垂直结构光电探测器中常见的高背景电流问题。在 0 V 偏压下，基于 246 nm 厚 YGO 的 FTO 光电探测器的暗电流仅为 0.145 pA，响应时间仅 15 ms，响应度高达 12.2 mA W^-1，探测率为 2.84 × 10¹² Jones。在 −10 V 偏压下，基于 425 nm 厚 YGO 的 FTO 光电探测器显示出高光电流/暗电流比为 10⁶，紫外/可见光抑制比为 10⁵，响应度优异达 12.3 A W^-1，探测率为 1.08 × 10¹⁵ Jones。这些结果表明，这种简单垂直结构的 Au/YGO/FTO 日盲光电探测器在未来光电子应用中具有巨大潜力。

        本工作得到了国家自然科学基金（项目编号：62274057、11975093 和 52202132）、中德科研促进中心（项目编号：M-0764）以及湖北省高校科技创新团队计划（项目编号：T201901）的资助。

图 1 a）代表性 YGO 薄膜、纯 Ga₂O₃ 薄膜及 FTO 衬底的 XRD 图谱。 b）纯 Ga₂O₃ 薄膜和 YGO 薄膜的 XPS 全谱。 c）YGO 薄膜的 Ga 3d 核能级谱，d）YGO 薄膜的 Y 3d 核能级谱； e）YGO 薄膜和 f）纯 Ga₂O₃ 薄膜的 O 1s 核能级谱，均以 284.8 eV 的 C 1s 峰为校准基准。

图 2 a）厚度分别为 246 nm 和 425 nm 的 (Y_0.05Ga_0.95)₂O₃ 薄膜的截面 FE-SEM 图像及 EDS 元素分布图； b）对应薄膜的二维和三维 AFM 图像。 c）在 c 面蓝宝石衬底上生长、具有相同厚度的 (Y_0.05Ga_0.95)₂O₃ 薄膜的透过率光谱； d）（αhν）² 与 hν 的关系曲线。 （c）中的插图为 FTO 衬底的透过率光谱。

图 3 d246 nm-YGO/FTO 光电探测器在自驱动模式下的光响应特性。 a）器件在暗态及不同光强 250 nm 光照条件下的电流–电压（I–V）曲线； b）器件在制备完成后及在环境中存放 3 个月后的多循环光响应； c）在 0 V 偏压、250 nm 光照（功率密度 65 μW cm^-2）条件下的单周期光响应，展示器件的上升/衰减边沿； d）0 V 偏压下的光谱响应度及探测率（插图）； e）在 0 V 偏压、不同光强 250 nm 光照下的时间依赖光响应； f）光电流、响应度 R 及比探测率 D* 随光强变化的关系。

图4 基于d425 nm-YGO/FTO光电探测器在偏压驱动模式下的光响应特性。器件在暗态和250 nm光照下的电流-电压曲线，a) 不同光强，b) 固定光功率密度为65 μW cm⁻²。器件对250 nm光照（P = 65 μW cm⁻²）的多循环时间依赖光响应，c) −10 V偏压下，d) 不同偏压下。e) 光电流随偏压的变化。f) 器件在−10 V偏压下的光谱响应度及探测度（插图）。

图 5 a）YGO 的 UPS 光谱，b）FTO 的 UPS 光谱； c）Au、YGO 和 FTO 的能带结构示意图； d）零偏压和 e）负偏压条件下 Au/YGO/FTO 光电探测器的能带结构示意图。

图 6 Au/YGO/FTO 光电探测器与其他已报道光电探测器光响应参数的对比： a）自驱动型光电探测器； b）偏压驱动型光电探测器。

DOI：

doi.org/10.1002/eem2.70237