【国内论文】Carbon丨中科院宁波材料所张文瑞研究员&郑州大学团队：超宽禁带金刚石/ε-Ga₂O₃ pn 异质结用于自供电日盲紫外探测及高温运行

        由中国科学院宁波材料技术与工程研究所张文瑞研究员联合郑州大学的研究团队在学术期刊 Carbon 发布了一篇名为Ultrawide-Bandgap Diamond/ε-Ga₂O₃ pn Heterojunction for Self-Powered Solar-Blind Photodetection and High-Temperature Operation（超宽禁带金刚石/ε-Ga₂O₃ pn 异质结用于自供电日盲紫外探测及高温运行）的文章。

        日盲紫外（200–280 nm）探测在安全通信、臭氧层监测和火焰传感中至关重要 。开发无需外部电源的自供电探测器是实现远程、分布式传感网络的关键。β-Ga₂O₃ 是日盲探测的有力竞争者，但其 p 型掺杂极难实现，限制了同质结器件的发展。现有的 Ga₂O₃ 异质结存在能带失配大、晶格失配导致的界面缺陷多等问题，且窄带隙 p 型材料会引入非日盲波段的响应。金刚石具有更宽的禁带（~5.5 eV）、极高的热导率和成熟的 p 型掺杂技术，是与 n 型 Ga₂O₃ 构建理想超宽禁带（UWBG）异质结的最佳伙伴。

        无需外部供电的日盲光电探测器（SBPD）在通信、传感和成像领域具有广阔应用前景，但其性能常受高暗电流和低探测率限制。本文展示了一种基于 p 型金刚石/n 型 ε-Ga₂O₃ 异质结二极管的自供电 SBPD。该探测器在自供电模式下展现出卓越的综合性能：暗电流低至 23 fA，光暗电流比 (PDCR) 高达 10⁶ 以上，响应度达 384 mA/W，并在 473 K 高温下保持 10² 的 PDCR 值，展现出优异的高温稳定性。此外，该探测器在日盲波段展现出优异的光谱选择性，同时具备卓越的空间均匀性和长期稳定性。其高性能源于独特超宽带隙半导体与精密设计的 pn 结协同作用：ε-Ga₂O₃ 层实现高效光吸收与载流子收集，而金刚石衬底则确保优异的整流特性与热管理能力。该探测器凭借微秒级响应速度，已成功应用于快速紫外通信领域。本研究为先进光电子学领域开创了自供电日盲光探测器的超宽带隙 pn 异质结设计方案。

        ● 精心设计的 pn 结使耗尽区主要延伸至对光敏感的 ε-Ga₂O₃ 层中，从而实现了光生载流子的高效收集。

        ● 金刚石层保持了强大的耗尽区，确保了优异的整流特性和热管理能力。

        ● 温度依赖测试表明，高温下的反向漏电流受热发射场发射（TFE）机制支配，而非界面复合，证明了高质量界面的作用。

        成功制备并表征了一种基于 p 型金刚石/n 型 ε-Ga₂O₃ 异质结二极管的高性能自供电日盲光探测器。该器件展现出均衡卓越的性能：暗电流仅 23 fA，光暗电流比高达 10⁶ 以上，响应度达 384 mA/W， 卓越的检出率（超过 10¹³ Jones）、快速响应时间（上升/下降时间分别为 8.1/5.2 ms）以及优异的高温稳定性，所有特性均在零偏压条件下实现。该探测器还展现出卓越的运行稳定性和空间均匀性，成功应用于紫外通信系统。其性能关键在于异质结的精心设计，ε-Ga₂O₃ 耗尽区确保高效光吸收，而金刚石对应层层维持整流特性。本研究为开发适用于未来光电子应用的高性能自供电紫外波段半导体异质结单光子二极管提供了可行策略。

        本研究得到国家自然科学基金（62204244，62304227，62474165）、等离子体物理国家重点实验室基金（6142A04240204）、浙江省自然科学基金（LQ23F040003，LQ23F040005）以及宁波甬江人才工程（2021A-046-C）的支持。

图1. (a) BDD/ε-Ga₂O₃ 异质结光探测器的示意图。(b) 光探测器横截面异质界面的扫描电子显微镜图像。(c) Ti/Au 欧姆接触在 BDD 和 ε-Ga₂O₃ 薄膜上的横向电流-电压特性。(d) BDD 衬底上 ε-Ga₂O₃ 薄膜与裸 BDD 衬底的原子力显微镜图像。(e) 生长于 BDD 上的 ε-Ga₂O₃ 薄膜 X 射线衍射图谱。(f) BDD 衬底上 ε-Ga₂O₃ 薄膜与裸 BDD 衬底的光学透射特性，附图为对应的 Tauc 图谱及带隙值。

图2. (a) BDD/ε-Ga₂O₃ 短边结光电二极管在暗处及不同强度 254 nm 光照下的对数 I-V 特性曲线。(b) 零偏压下不同 254 nm 光照强度下 BDD/ε-Ga₂O₃ 短边结光电二极管的线性 I-t 特性曲线。(c) 从 (a) 图中提取的线性 I-V 特性曲线，附带x轴截距放大图。(d) V_OC 与光功率强度的正比关系曲线。

图3. (a) 不同 254 nm 光照强度下，BDD/ε-Ga₂O₃ 表面双极光电二极管在零偏压时的对数 I-t 特性曲线。分别提取 (b) I_ph、PDCR，(c) R 和 D* 在零偏压下不同 254 nm 光照强度的数值。(d) 零偏压下表面双极光电二极管的光谱响应曲线。

图4. (a) BDD/ε-Ga₂O₃ 短边结光电二极管在 254 nm 光照下，从 323 K 到 473 K 不同温度下的 I-V 曲线；(b) 相同条件下的 I-t 曲线。(c) BDD/ε-Ga₂O₃ 短边结光电二极管在零偏压下，254 nm 光照下的连续 I-t 特性曲线。(d) 6 × 6 像素阵列（2 × 2 mm²）的暗电流图与 (e) 光电流图，附对应数值标注。(f) 36 个像素点暗电流与光电流的统计分析图。

图5. (a) 表征响应速度并应用紫外通信的实验装置示意图。(b) BDD/ε-Ga₂O₃ SBPD 的归一化瞬态光响应曲线，附有用于计算响应时间的拟合曲线。(c) 输入方波信号为 ASCII 编码“NIMTE”对应的波形。(d) 示波器采集的 BDD/ε-Ga₂O₃ 单结光电二极管输出光响应信号，调制频率分别为 8 Hz、20 Hz 和 80 Hz。

图6. (a) 裸露 p-BDD 的核能级与价带谱（C 1s与价带）， (b) p-BDD 上 250 nm ε-Ga₂O₃ 薄膜（Ga 2p_3/2 与价带），(c) p-BDD 上 5 nm 超薄 ε-Ga₂O₃ 薄膜（Ga 2p_3/2 与 C 1s）。BDD/ε-Ga₂O₃ 表面结合半导体（SBPD）的示意性能带图：(d) 热平衡状态，(e) 紫外光照射下零偏压，(f) 反向偏压。

DOI：

doi.org/10.1016/j.carbon.2026.121335