【国内论文】Optics Express丨重庆文理学院：通过 ZrO₂/Ga₂O₃/LaOₓ p-i-n 异质结构实现高性能日盲紫外探测器

        由重庆文理学院、托木斯克理工大学、国家电投集团远达环保工程有限公司的研究团队在学术期刊 Optics Express 发布了一篇名为 Realization of high-performance solar-blind UV detector via a ZrO₂/Ga₂O₃/LaOₓ p-i-n heterostructure（通过 ZrO₂/Ga₂O₃/LaOₓ p-i-n 异质结构实现高性能日盲紫外探测器）的文章。

        日盲紫外探测在导弹预警、安全通信等领域具有关键应用价值，β-Ga₂O₃ 是本征日盲探测的理想材料。传统基于 β-Ga₂O₃ 的光电导型探测器存在响应度低、响应速度慢等问题，垂直异质结虽可实现自供能与快速载流子分离，但面临匹配材料带隙不当、透明电极对日盲波段吸收强等瓶颈，难以兼顾严格日盲选择性、高效率与快速响应。

        日盲紫外探测工作在 200–280 nm 波段，因无太阳背景辐射，在导弹预警、安全通信等领域至关重要。β-Ga₂O₃ 是本征日盲探测的理想材料，但传统光电导型探测器存在响应度低、响应速度慢等问题。该团队提出一种自供能垂直异质结日盲紫外探测器，采用新型 n-ZrO₂/β-Ga₂O₃/p-LaOₓ 三元薄膜结构，形成近乎理想的能带排列 p-i-n 结，产生强内建电场以实现高效载流子分离。高透光银纳米线网络作为顶窗电极，保证高光通量。器件可在 0 V 偏压下工作，在 254 nm 光照下实现 5.2 mA W⁻¹ 响应度、2.59 ×10¹² Jones 比探测率与超 4.1 ×10⁴ 的光暗电流比。响应速度显著提升，低光强（20 μW cm⁻²）下为 0.36/0.58 s，高光强（350 μW cm⁻²）下为 56/150 ms。通过日盲紫外成像系统验证了优异性能，成功重构高对比度、干净背景的清晰图案，展示实际成像应用潜力。该工作为高性能自供能日盲探测提供新型器件结构，为宽禁带半导体光电器件设计提供重要思路。

        •提出全新全宽禁带材料 n-ZrO₂/β-Ga₂O₃/p-LaOₓ p-i-n 异质结构，无需滤光片实现严格日盲探测。

        •近乎理想的能带排列与强内建电场实现光生载流子高效分离与抽取。

        •高透光 AgNWs 窗口电极保证日盲波段高光通量。

        •自供能探测器实现 2.59 ×10¹² Jones 高比探测率与 56/150 ms 快速响应速度。

        •成功实现高对比度、无背景干扰的清晰日盲紫外成像。

        该团队基于全溶液法制备的 n-ZrO₂/β-Ga₂O₃/p-LaOₓ 垂直异质结，成功研制高性能自供能日盲紫外探测器。该设计有效克服传统 β-Ga₂O₃ 光电导探测器的两大缺陷：低光子利用率与慢响应速度。主要创新点包括四点：(1) 器件采用全新全宽禁带材料（ZrO₂、β-Ga₂O₃、LaOₓ）p-i-n 异质结，无需外部滤光片即可实现本征日盲光谱选择性。(2) 近乎理想的能带排列与强内建电场实现光生载流子高效分离与抽取。(3) 高透光银纳米线电极（日盲波段透过率 >80%）保证充足光子通量，实现高响应度与探测率。(4) 探测器综合性能优异，自供能模式下探测率达 2.59 ×10¹² Jones，光暗电流比超 10⁴，且长期稳定性出色。清晰的紫外成像能力进一步证实其实际应用性。该研究不仅为下一代日盲探测提出极具前景的器件结构，还证明带隙与异质结工程在提升宽禁带光电器件性能方面的有效性。此外，全溶液、无真空制备工艺为规模化器件生产提供低成本路线。

        本研究得到国家重点研发计划（Grant No. 2022YFB3603202）、国家自然科学基金（Grant No. 62171069）、重庆市自然科学基金（CSTB2024NSCQ-LZX0009、CSTB2024TIAD-KPX0004、CSTB2023NSCQ-LZX0058、CSTB2023TIAD-KPX0022）与重庆市教委科学技术研究项目（KJQN202301315）资助。

图 1. ZrO₂/Ga₂O₃/LaOₓ 日盲紫外探测器的制备与表征。(a) 制备流程示意图；(b) 器件实物照片；(c)-(f) 分别为 ZrO₂、Ga₂O₃、LaOₓ 薄膜与 AgNWs 电极的 SEM 图；(g) ZrO₂、Ga₂O₃ 与 LaOₓ 薄膜的 XRD 图谱。

图 2. ZrO₂/Ga₂O₃/LaOₓ 探测器日盲探测性能研究。(a) 各单层薄膜带隙；(b) 完整器件与功能层吸收光谱；(c) 本探测器与对比器件在不同紫外波长下的光响应对比；(d) 不同器件结构的二极管特性（J-V 曲线）。

图 3. p-i-n 异质结性能提升机理。(a) 本 p-i-n 器件与对比器件光响应对比；(b) 不同器件噪声密度；(c) 能带结构图；(d) 等效电路拟合奈奎斯特图；(e) Mott–Schottky 分析；(f) 对数 I-V 与理想因子分析。

图 4. 弱光、偏压与长时间工作下器件性能评估。(a) 光电流随光功率密度变化；(b) 线性动态范围分析；(c) 比探测率与响应时间对比；(d) 暗态与不同波长光照下 J-V 特性；(e) 长期稳定性；(f) 响应时间与光强关系；(g) 环境稳定性。

图 5. ZrO₂/Ga₂O₃/LaOₓ 日盲紫外探测器成像性能。(a) 二维扫描成像系统示意图；(b) 成像过程电流信号；(c) 成像对比结果，突出本器件严格日盲选择性优势。

DOI：

doi.org/10.1364/OE.596765