【国际论文】设计具有高紫外选择性和双面应用的CsSnBr₃/Ga₂O₃混合光探测器

        本文对一种新型全无机杂化 p-n 异质结的运行和特性进行了数值研究，该异质结由沉积在 Ga₂O₃ 上的无铅钙钛矿 CsSnBr₃ 构成。对诸如电流 - 电压特性、量子效率（QE）、光谱响应度（R）、探测率（D*）、噪声等效功率（NEP）和能带对准等关键性能参数进行了分析。结果表明，在 ±3 V 时，其光照与暗电流比高达 10⁷，整流比在暗态下约为 7.6×10⁶，在光照下为 1.33×10⁴。通过调整层厚和掺杂浓度，CsSnBr₃/Ga₂O₃ 光电探测器可支持双面入射、自供电、日盲和紫外 - 可见（UV-Vis）检测模式。在选择性紫外模式下，其响应度为 57.5 mA/W，探测率为 3.6×10¹⁰ Jones，噪声等效功率为 9.84×10^-12 W/√Hz。在 UV-Vis 模式下，这些参数分别提高到 161 mA/W、1×10¹¹ Jones 和 3.51×10^-13 W/√Hz。该器件在反向入射光照时也表现出有效的可见光检测能力，表明其在叠层太阳能电池中具有潜在应用价值。本研究概述了关键的设计参数和优化策略，为未来有关将钙钛矿与宽带隙半导体结合的稳定、无铅、全无机杂化器件的研究铺平了道路。

        本文进行了 SCAPS-1D 模拟，以评估 CsSnBr₃ 和 Ga₂O₃ 层的掺杂和厚度对 CsSnBr₃/Ga₂O₃ 混合异质结光电探测器性能的影响。模拟结果表明，由于内建电压较高，应能实现有效的电荷分离。即使没有载流子传输层，该光电探测器也能在零偏压下以双面工作模式（双面操作）在深紫外范围内工作，并可扩展至可见光范围。结处的光电流与暗电流之比约为 10⁷，表明理想因子较低。在暗态下，±3 V 时的整流比约为 7.6×10⁶。

        当从 Ga₂O₃ 侧入射时，对于这种异质结而言，Ga₂O₃ 层的低厚度和低掺杂更有利于选择性深紫外模式，可实现最大响应度 57.5 mA/W、比有效探测率 3.6×10¹⁰ Jones 以及噪声等效功率 9.84×10⁻¹² W/√Hz。在紫外-可见光宽带检测模式下，且 Ga₂O₃ 掺杂浓度为 10¹⁸ cm⁻³ 时，该光电探测器可实现 74% 的量子效率、161 mA/W 的响应度、约 10¹¹ Jones 的比有效探测率以及 3.51×10⁻¹³ W/√Hz 的噪声等效功率。这些数值远高于迄今报道的其他类型光电探测器的数值。

        对于从 Ga₂O₃ 侧入射的情况，CsSnBr₃ 层的厚度和掺杂对探测器的整体性能影响较小，但无论如何都很重要，因为它们能够控制选择性或拓宽检测范围。较厚的 CsSnBr₃ 钙钛矿层可实现 15% 的量子效率、30 mA/W 的响应度、1.877×10¹⁰ Jones 的比探测率以及 5.31×10^-11 W/√Hz 的噪声等效功率。

        CsSnBr₃/Ga₂O₃ 光电探测器的预期高性能表明，CsSnBr₃/Ga₂O₃ 混合 p-n 异质结可能在光电子学领域产生重大影响，甚至在光伏领域也是如此。目前的研究结果为 CsSnBr₃/Ga₂O₃ 混合异质结的制造和研究提供了新的视角，且有很大的进一步优化空间。

图 1 a) CsSnBr₃/Ga₂O₃ 异质结构的模拟能带排列；b) CsSnBr₃/Ga₂O₃ 光电探测器配置示例，包括可能的双面入射和金属接触配置。

图2 CsSnBr₃/Ga₂O₃ 异质结在暗态（蓝色实线）和一日照光照条件下（红色实线）的电流–电压（I–V）特性。

图3 CsSnBr₃/Ga₂O₃ 杂化异质结的模拟产生与复合速率；b) 对应的Nyquist图。等效电路也包含在其中。

DOI：

doi.org/10.1002/adts.202501163