【国内论文】Optics Express丨重庆文理学院、俄罗斯托木斯克理工大学：基于 ZrO₂/Ga₂O₃/LaOₓ p-i-n 异质结的高性能日盲紫外线探测器的实现

        由重庆文理学院、俄罗斯托木斯克理工大学、中电投远达环保股份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（基于 ZrO₂/Ga₂O₃/LaOₓ p-i-n 异质结的高性能日盲紫外线探测器的实现）的文章。

        日盲紫外的探测波段落在 200–280 nm，该区间紫外辐射可被大气臭氧层大幅吸收，地面环境无太阳光背景干扰，在飞行器火控告警、电力设备局部放电巡检、工业火情实时探测等军工与民用关键场景具备不可替代的实用价值。β-Ga₂O₃ 拥有约 4.9 eV 的本征超宽禁带，光谱天然匹配日盲波段，无需外加滤光片即可实现选择性探测，是现阶段日盲光电器件的核心候选半导体材料。传统平面叉指构型 β-Ga₂O₃ 光电探测器受金属电极遮光影响，有效受光面积受限、光子利用率偏低，且器件依靠体内陷阱的载流子复合完成光电转换，响应速度普遍处于秒量级，难以适配高速瞬态紫外信号检测需求。现有垂直异质结构常选用 ZnO、NiO 等窄禁带配套材料，器件易对长波紫外产生多余响应，而 Al₂O₃ 等超高禁带绝缘材料导电性能极差，难以兼顾高光谱选择性与优异光电参数，全溶液可批量制备、纯日盲响应的 p-i-n 三层异质探测结构鲜有报道，相关器件设计路线存在明显研究空白。

        日盲紫外探测工作波段为 200–280 nm，由于臭氧层对该波段太阳光的吸收效应，在导弹预警、保密通信等领域拥有重要应用前景。β-Ga₂O₃ 是天然日盲探测的优质材料，但传统光电导型探测器存在响应度低、响应迟缓的短板。该团队研制一种自驱动垂直异质结日盲光电探测器，采用新颖 n-ZrO₂/β-Ga₂O₃/p-LaOₓ 三层薄膜构建 p-i-n 结，能带匹配优异，形成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障高入射光子通量。器件零偏工作，254 nm 光照下响应度可达 5.2 mA W⁻¹，比探测率为 2.59 ×10¹² Jones，光暗电流比高于 4.1 ×10⁴；低光强 20 μW cm⁻² 条件下上升/衰减时间为 0.36 s/0.58 s，350 μW cm⁻² 高光强时缩短至 56 ms/150 ms。依托搭建的日盲紫外成像系统验证器件性能，可成像对比度高、背景洁净，证实实用化潜力，该研究为高性能自驱动日盲探测器提供全新结构思路。

        •采用全溶液旋涂工艺制备 ZrO₂/β-Ga₂O₃/LaOₓ p-i-n 垂直异质结探测器，全程无需真空设备。

        •各功能层均为超宽禁带材料，器件实现本征纯日盲响应，无需外加光学滤波片。

        •高透光银纳米线用作顶窗电极，大幅提升有效入射光子数量。

        •器件比探测率达 2.59 ×10¹² Jones，可完成清晰日盲图案成像。

        该团队依托溶液法制备 n-ZrO₂/β-Ga₂O₃/p-LaOₓ 垂直异质结，成功研制高性能自驱动日盲紫外探测器，解决传统 β-Ga₂O₃ 光电导器件光子利用率低、响应速度慢两大痛点。本研究四项核心成果：(1) 器件由多种超宽禁带材料构筑新型 p-i-n 异质结，天然具备日盲光谱选择性，无需外接滤光片；(2) 优异能带匹配形成强内建电场，高效分离与收集光生载流子；(3) 日盲波段透过率超 80% 的银纳米线顶电极保障充足入射光子，提升响应与探测指标；(4) 零偏下器件探测率 2.59 ×10¹² Jones、光暗比超 10⁴，长期稳定性优异且可实现紫外成像。该工作提出新一代日盲探测器件构型，验证能带与异质结调控对宽禁带光电器件的优化作用，无真空全溶液制备方案有利于器件规模化量产。

        本工作受国家重点研发计划（2022YFB3603202）、国家自然科学基金（62171069）、重庆市自然科学基金（CSTB2024NSCQ-LZX0009、CSTB2024TIAD-KPX0004、CSTB2023NSCQ-LZX0058、CSTB2023TIAD-KPX0022）、重庆市教委科研项目（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) 成品探测器实物照片；(c-f) 依次为 ZrO₂、Ga₂O₃、LaOₓ 薄膜以及银纳米线电极的 SEM 图像；(g) ZrO₂、Ga₂O₃、LaOₓ 薄膜的 XRD 图谱。

图 2. ZrO₂/Ga₂O₃/LaOₓ 探测器日盲探测性能研究。(a) ZrO₂、Ga₂O₃、LaOₓ 单层薄膜的带隙；(b) 完整器件与各功能层的吸收光谱；(c) ZrO₂/Ga₂O₃/LaOₓ 探测器与 TiO₂/NiO、TiO₂/Ga₂O₃/NiO、ZrO₂/Ga₂O₃/NiO、TiO₂/Ga₂O₃/LaOₓ 多种结构器件在不同紫外波段的光响应对比；(d) 不同结构器件的二极管特性（J-V 曲线）。

图 3. p-i-n 异质结性能提升机理分析。(a) ZrO₂/Ga₂O₃/LaOₓ p-i-n 器件与 ZrO₂/Ga₂O₃、Ga₂O₃/LaOₓ、ZrO₂/LaOₓ 对照器件的光响应对比；(b) 不同结构器件的噪声密度；(c) ZrO₂/Ga₂O₃/LaOₓ p-i-n 异质结能带示意图；(d) 等效电路拟合后的奈奎斯特曲线；(e) ZrO₂/Ga₂O₃/LaOₓ p-i-n 与 ZrO₂/Ga₂O₃ p-n 异质结的莫特 - 肖特基分析；(f) 理想因子拟合的对数 I-V 特性曲线。

图 4. ZrO₂/Ga₂O₃/LaOₓ 探测器在弱光、偏置及长时间工况下的性能测试。(a) 不同光功率密度对应的光电流响应；(b) 线性动态范围分析；(c) 本器件与已报道器件的探测率、响应参数对比；(d) 暗态、254 nm、310 nm 光照下器件 J-V 特性；(e) 长期稳定性测试；(f) 响应时间随光强变化规律；(g) 器件环境稳定性测试结果。

图 5. ZrO₂/Ga₂O₃ 日盲紫外探测器成像性能。(a) 自制二维扫描成像系统原理图；(b) 成像过程中探测器采集的电流信号；(c) 成像效果对比，凸显本器件优异的成像能力与纯正日盲选择性。

DOI：

doi.org/10.1364/OE.596765