【国内论文】Small丨深圳大学韩舜、华南师范大学宿世臣：超高性能混合结构 Ga₂O₃/ZnO 异质结日盲紫外线探测器及其在不同条件下多种场景中的广泛应用

        由深圳大学韩舜副教授联合华南师范大学宿世臣研究员的研究团队在学术期刊 Small 发布了一篇名为 Ultrahigh-Performance Mix-Structure Ga₂O₃/ZnO Heterostructure Solar Blind UV Detector and Its Wide Applications in Multiples of Scenarios Under Different Conditions（超高性能混合结构 Ga₂O₃/ZnO 异质结日盲紫外线探测器及其在不同条件下多种场景中的广泛应用）的文章。

        日盲紫外（220–280 nm）光电探测技术在军用紫外保密通信、导弹预警、电网电弧火情监测、臭氧空洞检测、类脑神经计算等多元场景具备不可替代的实用价值，是新一代光电信息系统核心支撑技术。β-Ga₂O₃ 作为超宽禁带半导体，本征吸收区间完美匹配日盲波段，且熔体法可制备大尺寸薄膜，是制备日盲探测器最优候选材料之一。目前主流单一晶相 Ga₂O₃ 器件普遍存在探测增益与响应恢复速度相互制约的固有矛盾：高增益器件载流俘获效应显著，光电流弛豫时间长达数十秒，难以用于高速脉冲紫外通信；高速器件探测灵敏度、光暗电流比大幅下降，微弱紫外信号下无法完成有效识别。现有纯 Ga₂O₃ 金属-半导体结构、MOSFET 型器件仅能适配单一工况，无法兼顾高速脉冲通信与弱光成像、突触模拟多类应用需求。ZnO 基透明导电层具备高载流浓度，可构建异质结引入雪崩倍增效应提升器件增益，但当前研究仅单独研究结晶态 Ga₂O₃/ZnO 体系，混合晶相（晶态纳米颗粒嵌入非晶基体）Ga₂O₃ 与 ZnO 复合异质结的多工况响应机理尚未系统阐明，缺少可同时适配高速紫外通信、弱光预警、人工神经突触模拟三类场景的一体化器件方案，成为该领域亟待填补的研究空白。

        该团队首先优化混合结构 Ga₂O₃/ZnO、Ga₂O₃/掺 ZnO 异质结探测器性能，优化后的混合结构器件在 40 V 偏压、235 nm 紫外光下响应度高达 3010.2 A/W，40 V 暗电流低至 6.97×10⁻¹¹ A，在 4.8 μW/cm² 235 nm 光照下光暗电流比可达 10⁵。团队系统探究器件在不同工况下的工作机理：高压脉冲紫外激光下器件产生雪崩击穿机制，上升时间仅 2.47 μs，适用于紫外通信；微弱 254 nm 深紫外光照下器件上升时间 25.95 s、衰减时间 23.05 s，可用于导弹预警、电网火情、臭氧检测等场景；1 V 低偏压、弱深紫外条件下器件内部大量空穴被俘获，可模拟人脑突触的成对脉冲易化、长时可塑性等复杂行为。该 Ga₂O₃/ZnO 异质结探测器在不同条件下差异化的响应与恢复机理，对多场景实际应用具备重要研究价值。

        ①设计并制备一系列混合结构 Ga₂O₃/ZnO、Ga₂O₃/掺 ZnO 异质结日盲探测器，可适配多种应用场景。

        ②优化后的器件在反向偏压下同时实现超高响应度、极低暗电流与高光暗电流比。

        ③分别在高压脉冲紫外、低偏压弱紫外条件下揭示雪崩击穿、空穴俘获两套差异化工作机理。

        综上，该团队制备出基于导电混合结构 Ga₂O₃ 层的高性能 Ga₂O₃/ZnO 异质结日盲紫外探测器，器件在 40 V、235 nm 条件下响应度达 3010.2 A/W，40 V 暗电流为 6.97×10⁻¹¹ A，2.2 mW/cm² 235 nm 光照下光暗电流比可达 10⁵，零偏自驱动响应度为 5.4 mA/W。团队深入探究该混合结构异质结探测器在不同偏压、不同紫外光源下差异化的响应与衰减机理，为结构简易型混合结构 Ga₂O₃/ZnO 探测器在多场景下的应用奠定理论基础。高偏压脉冲紫外照射时，器件依靠雪崩击穿机制实现高光电流、超快上升与衰减速度（上升时间 0.38 ms，快速衰减时间 2.47 ms），在超高速紫外通信、保密无线通信领域具备重要实用价值。微弱深紫外连续光照条件下，器件仍具备较高响应与较快升降速（上升 35.95 s、快速衰减 23.05 s），适用于导弹预警、臭氧空洞监测、电网电气火情预警等场景。1 V 低偏压、弱深紫外环境下，空穴俘获效应使器件产生缓慢光响应与衰减过程，因此该混合结构异质结探测器可模拟人工神经网络突触的学习、遗忘行为，复现成对脉冲易化、长时增强、长时抑制等人脑复杂神经行为，对基于深紫外光电器件的新一代人工神经网络、神经计算系统搭建具备重大意义。

        本研究得到国家自然科学基金（项目编号 51872187、12074263、11774241、51371120、51302174、61704111、62571201）、广东省基础与应用基础研究基金（2021A1515012013）、深圳市科技计划项目（JCYJ20170818144255777、JCYJ20170818144212483、JCYJ20180507182248925、JCYJ2016022619203302）资助，同时受国家自然科学基金（62571201）部分经费支持。

图 1 四款异质结日盲紫外探测器结构示意图：(a) Ag/Ga₂O₃/ZnO/In 异质结日盲紫外探测器；(b) Ag/Ga₂O₃/掺 ZnO/In 异质结日盲紫外探测器；(c) In/ZnO/Ga₂O₃/Ag 异质结日盲紫外探测器；(d) In/掺 ZnO/Ga₂O₃/Ag 异质结日盲紫外探测器；(e) Ga₂O₃/ZnO、Ga₂O₃/掺 ZnO、ZnO/Ga₂O₃、掺 ZnO/Ga₂O₃ 薄膜 XRD 图谱；(f) 四款双层薄膜紫外-可见光透过光谱。

图 2 (a) A 器件 Ga₂O₃/ZnO 双层截面 SEM 图；(b) B 器件 Ga₂O₃/掺 ZnO 双层截面 SEM 图；(c) C 器件 ZnO/Ga₂O₃ 双层截面 SEM 图；(d) D 器件掺 ZnO/Ga₂O₃ 双层截面 SEM 图；(e) 2 Pa、40 sccm 条件下制备 Ga₂O₃ 薄膜整体 TEM 图；(f) Ga₂O₃ 薄膜衬底侧底部 TEM 图；(g) Ga₂O₃ 薄膜中层区域 TEM 图；(h) Ga₂O₃ 薄膜表层下方 TEM 图。

图 3 (a) Ag/Ga₂O₃/ZnO/In 器件暗电流、光电流、光暗电流比曲线；(b) Ag/Ga₂O₃/掺 ZnO/In 器件暗电流、光电流、光暗电流比曲线；(c) In/ZnO/Ga₂O₃/Ag 器件暗电流、光电流、光暗电流比曲线；(d) In/掺 ZnO/Ga₂O₃/Ag 器件暗电流、光电流曲线；(e) 不同正向偏压下 Ag/Ga₂O₃/ZnO/In 器件紫外响应光谱；(f) 不同正向偏压下 Ag/Ga₂O₃/掺 ZnO/In 器件紫外响应光谱；(g) 不同正向偏压下 In/ZnO/Ga₂O₃/Ag 器件紫外响应光谱；(h) 不同正向偏压下 In/掺 ZnO/Ga₂O₃/Ag 器件紫外响应光谱；(i) 不同反向偏压下 Ag/Ga₂O₃/ZnO/In 器件紫外响应光谱；(j) 不同反向偏压下 Ag/Ga₂O₃/掺 ZnO/In 器件紫外响应光谱；(k) 不同反向偏压下 In/ZnO/Ga₂O₃/Ag 器件紫外响应光谱；(l) 不同反向偏压下 In/掺 ZnO/Ga₂O₃/Ag 器件紫外响应光谱。

图 4 不同沉积氧压下 MSM 结构 Ga₂O₃ 日盲探测器暗电流、光电流、光暗电流比曲线：(a) 0.5 Pa；(b) 1 Pa；(c) 1.5 Pa；(d) 2 Pa；(e) 2.5 Pa；(f) 3 Pa。

图 5 不同沉积氧压制备 MSM 型 Ga₂O₃ 日盲探测器紫外响应光谱：(a) 0.5 Pa；(b) 1 Pa；(c) 1.5 Pa；(d) 2 Pa；(e) 2.5 Pa；(f) 3 Pa。

图 6 2 Pa、30 sccm 氧流量制备 Ga₂O₃ 薄膜 TEM 表征：(a) 薄膜整体视图；(b) 衬底底部薄膜 TEM；(c) 薄膜中层 TEM；(d) 薄膜表层下方 TEM。

图 7 (a) Ag/Ga₂O₃/ZnO/In 器件测试结构示意图；(b) 不同偏压下该器件暗电流、光电流曲线；(c) 不同偏压下该器件暗电流、光电流、光暗电流比；(d) Ag/Ga₂O₃/掺 ZnO/In 器件测试结构示意图；(e) 不同偏压下该器件暗电流；(f) 不同偏压下该器件暗电流、光电流、光暗电流比。

图 8 导电 Ga₂O₃ 层基异质结探测器紫外响应光谱：(a) In/ZnO/Ga₂O₃/Ag 不同正向偏压；(b) In/ZnO/Ga₂O₃/Ag 不同反向偏压；(c) In/ZnO/Ga₂O₃/Ag 零偏压；(d) In/掺 ZnO/Ga₂O₃/Ag 不同正向偏压；(e) In/掺 ZnO/Ga₂O₃/Ag 不同反向偏压；(f) In/掺 ZnO/Ga₂O₃/Ag 零偏压。

图 9 (a) 导电 Ga₂O₃ 层基 In/ZnO/Ga₂O₃/Ag 异质结探测器的时间响应谱；(b) 导电 Ga₂O₃ 层基 In/ZnO/Ga₂O₃/Ag 异质结探测器的时间响应谱；(c) 导电 Ga₂O₃ 层上 MSM 结构探测器的时间响应谱；(d) 不同温度下测得 In/ZnO/Ga₂O₃/Ag 异质结探测器的电流-电压曲线；(e) In/ZnO/Ga₂O₃/Ag 异质结探测器暗态、254 nm 深紫外光照测试 120 s 后（暗电流 1）、254 nm 深紫外光照下（光电流）、关闭紫外光照 3 s 后（暗电流 2）的电流-电压曲线；(f) 不同光强 254 nm 深紫外条件下 In/ZnO/Ga₂O₃/Ag 异质结探测器的电流-电压曲线。

图 10 (a) 1 V 偏压脉冲深紫外光照下 In/ZnO/Ga₂O₃/Ag 异质结探测器的时间响应谱；(b) 5 V 偏压脉冲深紫外光照下 In/ZnO/Ga₂O₃/Ag 异质结探测器的时间响应谱；(c) 25 V 偏压脉冲深紫外光照下 In/ZnO/Ga₂O₃/Ag 异质结探测器的时间响应谱；(d) 4.8 µW/cm² 254 nm 深紫外光、1 V 偏压条件下 In/ZnO/Ga₂O₃/Ag 异质结探测器光电流的上升与衰减过程；(e) 4.8 µW/cm² 254 nm 深紫外光、5 V 偏压条件下 In/ZnO/Ga₂O₃/Ag 异质结探测器光电流的上升与衰减过程；(f) 4.8 µW/cm² 254 nm 深紫外光、25 V 偏压条件下 In/ZnO/Ga₂O₃/Ag 异质结探测器光电流的上升与衰减过程。

DOI：

doi.org/10.1002/smll.74335