一、 背景

日盲紫外（200–280 nm）探測在安全通信、臭氧層監(jiān)測和火焰?zhèn)鞲兄兄陵P(guān)重要 。開發(fā)無需外部電源的自供電探測器是實現(xiàn)遠程、分布式傳感網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵。β-Ga₂O₃ 是日盲探測的有力競爭者，但其 p 型摻雜極難實現(xiàn)，限制了同質(zhì)結(jié)器件的發(fā)展?，F(xiàn)有的 Ga₂O₃ 異質(zhì)結(jié)存在能帶失配大、晶格失配導致的界面缺陷多等問題，且窄帶隙 p 型材料會引入非日盲波段的響應(yīng)。金剛石具有更寬的禁帶（~5.5 eV）、極高的熱導率和成熟的 p 型摻雜技術(shù)，是與 n 型 Ga₂O₃ 構(gòu)建理想超寬禁帶（UWBG）異質(zhì)結(jié)的最佳伙伴。

二、 主要內(nèi)容

無需外部供電的日盲光電探測器（SBPD）在通信、傳感和成像領(lǐng)域具有廣闊應(yīng)用前景，但其性能常受高暗電流和低探測率限制。本文展示了一種基于 p 型金剛石/n 型 ε-Ga₂O₃ 異質(zhì)結(jié)二極管的自供電 SBPD。該探測器在自供電模式下展現(xiàn)出卓越的綜合性能：暗電流低至 23 fA，光暗電流比 (PDCR) 高達 10⁶ 以上，響應(yīng)度達 384 mA/W，并在 473 K 高溫下保持 10² 的 PDCR 值，展現(xiàn)出優(yōu)異的高溫穩(wěn)定性。此外，該探測器在日盲波段展現(xiàn)出優(yōu)異的光譜選擇性，同時具備卓越的空間均勻性和長期穩(wěn)定性。其高性能源于獨特超寬帶隙半導體與精密設(shè)計的 pn 結(jié)協(xié)同作用：ε-Ga₂O₃ 層實現(xiàn)高效光吸收與載流子收集，而金剛石襯底則確保優(yōu)異的整流特性與熱管理能力。該探測器憑借微秒級響應(yīng)速度，已成功應(yīng)用于快速紫外通信領(lǐng)域。本研究為先進光電子學領(lǐng)域開創(chuàng)了自供電日盲光探測器的超寬帶隙 pn 異質(zhì)結(jié)設(shè)計方案。

三、 創(chuàng)新點

● 精心設(shè)計的 pn 結(jié)使耗盡區(qū)主要延伸至對光敏感的 ε-Ga₂O₃ 層中，從而實現(xiàn)了光生載流子的高效收集。

● 金剛石層保持了強大的耗盡區(qū)，確保了優(yōu)異的整流特性和熱管理能力。

● 溫度依賴測試表明，高溫下的反向漏電流受熱發(fā)射場發(fā)射（TFE）機制支配，而非界面復(fù)合，證明了高質(zhì)量界面的作用。

四、 結(jié)論

成功制備并表征了一種基于 p 型金剛石/n 型 ε-Ga₂O₃ 異質(zhì)結(jié)二極管的高性能自供電日盲光探測器。該器件展現(xiàn)出均衡卓越的性能：暗電流僅 23 fA，光暗電流比高達 10⁶ 以上，響應(yīng)度達 384 mA/W， 卓越的檢出率（超過 10¹³ Jones）、快速響應(yīng)時間（上升/下降時間分別為 8.1/5.2 ms）以及優(yōu)異的高溫穩(wěn)定性，所有特性均在零偏壓條件下實現(xiàn)。該探測器還展現(xiàn)出卓越的運行穩(wěn)定性和空間均勻性，成功應(yīng)用于紫外通信系統(tǒng)。其性能關(guān)鍵在于異質(zhì)結(jié)的精心設(shè)計，ε-Ga₂O₃ 耗盡區(qū)確保高效光吸收，而金剛石對應(yīng)層層維持整流特性。本研究為開發(fā)適用于未來光電子應(yīng)用的高性能自供電紫外波段半導體異質(zhì)結(jié)單光子二極管提供了可行策略。

五、項目支持

本研究得到國家自然科學基金（62204244，62304227，62474165）、等離子體物理國家重點實驗室基金（6142A04240204）、浙江省自然科學基金（LQ23F040003，LQ23F040005）以及寧波甬江人才工程（2021A-046-C）的支持。

圖1. (a) BDD/ε-Ga₂O₃ 異質(zhì)結(jié)光探測器的示意圖。(b) 光探測器橫截面異質(zhì)界面的掃描電子顯微鏡圖像。(c) Ti/Au 歐姆接觸在 BDD 和 ε-Ga₂O₃ 薄膜上的橫向電流-電壓特性。(d) BDD 襯底上 ε-Ga₂O₃ 薄膜與裸 BDD 襯底的原子力顯微鏡圖像。(e) 生長于 BDD 上的 ε-Ga₂O₃ 薄膜 X 射線衍射圖譜。(f) BDD 襯底上 ε-Ga₂O₃ 薄膜與裸 BDD 襯底的光學透射特性，附圖為對應(yīng)的 Tauc 圖譜及帶隙值。

圖2. (a) BDD/ε-Ga₂O₃ 短邊結(jié)光電二極管在暗處及不同強度 254 nm 光照下的對數(shù) I-V 特性曲線。(b) 零偏壓下不同 254 nm 光照強度下 BDD/ε-Ga₂O₃ 短邊結(jié)光電二極管的線性 I-t 特性曲線。(c) 從 (a) 圖中提取的線性 I-V 特性曲線，附帶x軸截距放大圖。(d) V_OC 與光功率強度的正比關(guān)系曲線。

圖3. (a) 不同 254 nm 光照強度下，BDD/ε-Ga₂O₃ 表面雙極光電二極管在零偏壓時的對數(shù) I-t 特性曲線。分別提取 (b) I_ph、PDCR，(c) R 和 D* 在零偏壓下不同 254 nm 光照強度的數(shù)值。(d) 零偏壓下表面雙極光電二極管的光譜響應(yīng)曲線。

圖4. (a) BDD/ε-Ga₂O₃ 短邊結(jié)光電二極管在 254 nm 光照下，從 323 K 到 473 K 不同溫度下的 I-V 曲線；(b) 相同條件下的 I-t 曲線。(c) BDD/ε-Ga₂O₃ 短邊結(jié)光電二極管在零偏壓下，254 nm 光照下的連續(xù) I-t 特性曲線。(d) 6 × 6 像素陣列（2 × 2 mm²）的暗電流圖與 (e) 光電流圖，附對應(yīng)數(shù)值標注。(f) 36 個像素點暗電流與光電流的統(tǒng)計分析圖。

圖5. (a) 表征響應(yīng)速度并應(yīng)用紫外通信的實驗裝置示意圖。(b) BDD/ε-Ga₂O₃ SBPD 的歸一化瞬態(tài)光響應(yīng)曲線，附有用于計算響應(yīng)時間的擬合曲線。(c) 輸入方波信號為 ASCII 編碼“NIMTE”對應(yīng)的波形。(d) 示波器采集的 BDD/ε-Ga₂O₃ 單結(jié)光電二極管輸出光響應(yīng)信號，調(diào)制頻率分別為 8 Hz、20 Hz 和 80 Hz。

圖6. (a) 裸露 p-BDD 的核能級與價帶譜（C 1s與價帶）， (b) p-BDD 上 250 nm ε-Ga₂O₃ 薄膜（Ga 2p_3/2 與價帶），(c) p-BDD 上 5 nm 超薄 ε-Ga₂O₃ 薄膜（Ga 2p_3/2 與 C 1s）。BDD/ε-Ga₂O₃ 表面結(jié)合半導體（SBPD）的示意性能帶圖：(d) 熱平衡狀態(tài)，(e) 紫外光照射下零偏壓，(f) 反向偏壓。

DOI：

doi.org/10.1016/j.carbon.2026.121335

本文轉(zhuǎn)發(fā)自《亞洲氧化鎵聯(lián)盟》訂閱號