【国内论文】JAC丨山东大学刘铎教授联合北京邮电大学：高性能 BDD/Ga₂O₃ 异质结温度传感器：高灵敏度、宽温域、强抗干扰能力

        由山东大学刘铎教授联合北京邮电大学吴真平教授研究团队在学术期刊 Journal of Alloys and Compounds 发布了一篇名为 High-Performance BDD/Ga₂O₃ Heterojunction Temperature Sensor with Enhanced Sensitivity, Wide Temperature Range, and Robust Anti-Interference Capabilities（高性能 BDD/Ga₂O₃ 异质结温度传感器：高灵敏度、宽温域、强抗干扰能力）的文章。

        宽禁带半导体材料（如 BDD、Ga₂O₃）具备超宽带隙、高稳定性与强抗辐照能力，是极端环境电子器件的理想材料。传统温度传感器普遍存在灵敏度偏低、工作温域有限、易受光学干扰等短板，难以满足航空航天、军工、医疗等领域对高精度、高稳定性测温的严苛需求。异质结结构可通过能带工程调控载流子输运特性，为解决上述瓶颈提供了有效途径。因此，亟需一种兼具高灵敏度、宽温域和强抗干扰能力的新型温度传感器。

        本文报道了一种高性能掺硼金刚石（BDD）/氧化镓（Ga₂O₃）异质结温度传感器，该传感器在宽工作温度范围内具备优异灵敏度。传感器采用两步法制备：首先通过微波等离子体化学气相沉积法（MPCVD）在商用（100）金刚石衬底上生长BDD层，随后通过磁控溅射沉积 Ga₂O₃ 薄膜。通过高温下的电流-电压（I-V）测试评估传感器的温度相关电学性能，结果显示，随着温度升高，开启电压明显负移，这归因于载流子扩散增强与热激发效应。该传感器在 300–550 K 的宽温域内，100 mA 电流下灵敏度高达 6.24 mV/K，凭借 BDD 与 Ga₂O₃ 的超宽禁带特性，其性能优于硅（Si）、氮化镓（GaN）及氧化物基半导体温度传感器。传感器在环境中储存 312 天后，以及在 455 nm 和 532 nm 激光照射下，仍表现出优异的可靠性，灵敏度波动极小。BDD/Ga₂O₃ 异质结传感器适用于航空航天、军事、医疗系统等需要动态环境下精准热响应与高可靠性的应用场景。

        ·首次构建超宽禁带 BDD/β-Ga₂O₃ p-n 异质结温度传感器，300–550 K 温域内 100 mA 电流下，灵敏度达 6.24 mV/K，创同类传感器纪录。

        ·灵敏度远超传统 Si、GaN 及氧化物基传感器（2–4.5 mV/K），得益于 II 型交错能带排列与势垒调制增强效应。

        ·稳定性优异：常温环境储存 312 天、455 nm/532 nm 激光（0.8 mW/cm²）长时间照射后，灵敏度无明显漂移。

        ·制备工艺可规模化：采用 MPCVD+ 磁控溅射技术，可集成至极端环境传感平台。

        综上，本研究成功制备了高性能 BDD/Ga₂O₃ 异质结温度传感器。传感器采用两步法制备：先通过 MPCVD 在商用金刚石衬底上生长 BDD 层，再沉积 Ga₂O₃ 薄膜。高温性能测试表明，该传感器具备高温度灵敏度，100 mA 电流下最高灵敏度达 6.24 mV/K。传感器的优异性能源于 BDD 与 Ga₂O₃ 的超宽禁带、固有化学惰性及物理稳定性。进一步实验证实，传感器储存 312 天后、激光照射下灵敏度漂移极小。该 BDD/Ga₂O₃ 异质结温度传感器为航空航天、国防、医疗系统等动态环境下，需要精准稳定热监测的场景提供了优质解决方案。

        本研究得到国家自然科学基金（NSFC，批准号：52172296）、合肥国家实验室济南分室、山东省自然科学基金量子科学专项（ZR2020LLZ005） 的资助。

图 1 a) 采用磁控溅射法并配合不锈钢掩膜（界定有效区域）沉积 Ga₂O₃ 薄膜。b) 欧姆电极制备：在 Ga₂O₃ 上制备 Ti/Au 接触垫双层结构，在裸露 BDD 上制备 Au 电极。A、B、C、D 为电学测试用的四个接触垫。

图 2 a) 原始 BDD 衬底与 BDD/Ga₂O₃ 样品的 X 射线衍射（XRD）图谱。b) BDD 与 BDD/Ga₂O₃ 样品的拉曼光谱。c、d) BDD 衬底与 BDD/Ga₂O₃ 样品的原子力显微镜（AFM）图像（30 μm × 30 μm）。

图 3 a) 紫外光照下暗电流与光电流测试实验装置示意图。b、c) 分别为 BDD 层与 Ga₂O₃层在暗态、紫外光照下的典型电流 - 电压（I-V）曲线。插图：暗电流放大图。

图 4 a) BDD/Ga₂O₃ 异质结器件置于加热台进行变温 I-V 测试的示意图。b) 器件在不同温度（300、350、400、450、500 K）下的 I-V 特性曲线及对应的开启电压（插图）。c) 偏压 V 下 II 型交错式 BDD/Ga₂O₃ 异质结平衡能带图。d) 不同电流（20、40、60、80、100 mA）下器件电压随温度变化曲线。e) 器件在不同温度下的理想因子。

图 5 不同电流（20、40、60、80、100 mA）下器件电压随温度变化曲线：a) 空气中储存 312 天后；b) 455 nm 激光（0.8 mW/cm²）照射下；c) 532 nm 激光（0.8 mW/cm²）照射下。

DOI：

doi.org/10.1016/j.jallcom.2026.188576