【会员论文】Small丨东北师范大学刘益春院士、李炳生教授团队：日盲紫外探测再突破！成功开发增强型双波段紫外光探测器

        由东北师范大学刘益春院士、李炳生教授组成的研究团队在学术期刊 Small 发布了一篇名为 Solar‐Blind Enhanced Dual‐Band Ultraviolet Photodetector（日盲增强型双波段紫外光探测器）的文章。

        紫外（UV）探测是应用广泛的光学检测技术，在保密通信、电晕监测、火焰探测、生化分析和空间探索等领域具有重要应用。目前商用紫外探测器主要为光电倍增管和硅基光电二极管，前者体积大、易损坏、工作电压高，后者因带隙小需额外滤光模块，且在紫外波段灵敏度较低。宽禁带半导体因带隙适配、紫外吸收系数高、热稳定性好，成为紫外探测的优选材料，其中氧化镓（Ga₂O₃）带隙约4.9 eV，光响应天然处于日盲紫外区（200–280 nm），还具备优异的热化学稳定性和高日盲紫外吸收系数，是制备日盲紫外探测器的极具潜力材料。

        然而现有Ga₂O₃基紫外探测器存在两大瓶颈：一是对日盲紫外光响应度低，商用探测器峰值响应度也多在日盲波段外；二是存在显著的持续光电导（PPC）效应，降低器件响应速度，且多数探测器仅能单波段或宽带探测，无法有效区分不同波长紫外光。此外，三元合金宽禁带材料随合金化程度提升，材料质量易下降，金刚石则更适用于功率器件而非光电探测。基于此，本研究设计并制备了β-Ga₂O₃/(AlₓGa₁₋ₓ)₂O₃/GaN异质结双波段紫外探测器，引入(AlₓGa₁₋ₓ)₂O₃势垒层抑制反向漏电流，利用Ga₂O₃中自俘获空穴（STHs）诱导载流子隧穿实现日盲紫外光电流增益，同时通过不同波长光照后电流弛豫速率差异，实现日盲紫外（λ≤270 nm）和长波紫外（λ>270 nm）的区分探测。

        基于β-Ga₂O₃/(AlₓGa₁₋ₓ)₂O₃/GaN的nBp异质结日盲增强型双波段紫外探测器采用金属有机化学气相沉积（MOCVD）法制备，Ga₂O₃层厚250 nm，(AlₓGa₁₋ₓ)₂O₃势垒层设30 nm（S2#）和60 nm（S3#）两种厚度，有效受光面积0.3 cm²。

        (AlₓGa₁₋ₓ)₂O₃势垒层的引入使异质结反向漏电流降低超六个数量级（-10 V偏压下），显著提升器件暗态性能。在日盲紫外光照下，Ga₂O₃中产生的自俘获空穴（STHs）增强结区电场并诱导载流子隧穿，实现光电流增益，使器件在-20 V偏压下展现出优异的日盲紫外探测性能：光电流增益2033、响应度900 A/W、探测率2.55×10¹³ Jones。

        针对日盲紫外光照下的持续光电导（PPC）效应，本研究采用紫外光照结合电路断路的方法实现抑制，大幅缩短电流弛豫时间，3秒内电流可从最大值下降五个数量级至基线水平。此外，利用器件在不同波长紫外光照下电流弛豫速率的差异，提出新型双波段紫外探测方法：250 nm日盲紫外光照后210 ms内电流仅从100%降至90%，而350 nm长波紫外光照后相同时间内电流从100%降至1%，据此可实现日盲与长波紫外光的有效区分。

        ●  开发出β-Ga₂O₃/(AlₓGa₁₋ₓ)₂O₃/GaN异质结基日盲增强型双波段紫外光探测器。

        ● 引入(AlₓGa₁₋ₓ)₂O₃势垒层，使器件反向漏电流降低超六个数量级，显著优化暗态性能。

        ● 利用日盲紫外光照下Ga₂O₃中自俘获空穴诱导的载流子隧穿效应，实现2033的高光电流增益。

        ● 器件在-20 V偏压下实现900 A/W的高响应度和2.55×10¹³ Jones的高探测率，日盲紫外探测性能优异。

        ● 提出紫外光照结合电路断路的方法，有效抑制持续光电导效应，大幅缩短电流弛豫时间。

        ● 利用不同波长紫外光照射后电流弛豫速率的差异，实现日盲紫外（λ≤270 nm）与长波紫外（λ>270 nm）的精准区分。

        本研究制备的β-Ga₂O₃/(AlₓGa₁₋ₓ)₂O₃/GaN nBp异质结探测器成功实现日盲增强型双波段紫外探测。(AlₓGa₁₋ₓ)₂O₃势垒层的引入有效抑制了器件的反向漏电流，提升了暗态工作性能；日盲紫外光照下，Ga₂O₃中产生的自俘获空穴增强结区电场并诱导载流子隧穿，使器件在-20 V偏压下获得2033的光电流增益、900 A/W的日盲紫外响应度和2.55×10¹³ Jones的探测率，日盲紫外探测性能大幅提升。

        实验证实，光照与电场变化结合的方式可显著加快器件在日盲紫外照射后的电流弛豫速度，有效抑制持续光电导效应。此外，利用器件在不同波段光照后的弛豫时间差异，可实现对不同波长紫外光的区分与探测，为双波段紫外探测技术提供了新的实现思路。该探测器兼具日盲紫外高灵敏度探测和双波段区分能力，在紫外光检测、环境监测、空间探索等领域具有重要的应用潜力。

        本工作得到以下项目资助：中国国家自然科学基金（项目编号62404039、62274027）、松山湖材料实验室开放研究基金（项目编号2023SLABFK03）、111引智基地（项目编号B25030）、吉林省科技发展计划（项目编号20220502002GH）以及中央高校基本科研业务费专项资金（项目编号2412024QD010）。

图 1.(a–c) 不同异质结的横截面扫描电子显微镜图像，(d–f) 铝、(g–i) 氧、(j–l) 氮和(m–o) 镓的元素分布图。

图 2. (a) 不同材料的X射线光电子能谱，(b) 不同材料的光学紫外-可见光透射率，以及(c) 异质结的示意图能带图。

图 3. (a) 不同异质结的暗电流-电压曲线；(b) nBp异质结在350 nm和250 nm光照下的电流-电压曲线；(d–f) nBp异质结在不同偏压下的光电响应光谱；(g) 样品S2#在不同光照波长和偏压下的响应光谱；(h) 样品S2#在250 nm光照下光电增益随施加偏压的变化；以及(i) 样品S2#在不同光照波长下特定探测率随施加偏压的变化。

图 4. 暗态下施加-10 V偏压的nBp异质结的(a)电场、(b)电势和(c)能带。不同STH浓度下施加-10 V偏压的nBp异质结的(d)电场、(e)电势和(f)能带。STH浓度为1 × 10¹⁶时，不同偏压下nBp异质结的(g)电场、(h)电势和(i)能带。

图 5. 样品S2#在(a) 350 nm和(b) 250 nm光照下的I–t曲线；(c)样品S2#在-10 V偏压和不同光照条件下的I–t曲线；(d)样品S2#在250 nm光照和不同偏压下的I–t曲线；(e)样品S2#在-10 V偏压、250 nm光照和不同光功率密度下的I–t曲线；(f)样品S2#电流随光照和电路状态变化的曲线；(g–i) nBp异质结在不同时刻的能带图示意图。 

图 6.（a）光电探测电路的示意图；nBp异质结器件在紫外光下的I–t曲线（b）λ ≤ 270 nm和（d）λ > 270 nm；（c–e）不同I–t衰减时间的放大图。

DOI：

doi.org/10.1002/smll.202514917