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【国内论文】福州大学：提升 Si/Ga₂O₃ 异质结日盲光电探测器在水下应用中的性能
日期：2025-08-14阅读：42
由福州大学的研究团队在学术期刊 Nanomaterials 发布了一篇名为 Enhancing the Performance of Si/Ga2O3 Heterojunction Solar-Blind Photodetectors for Underwater Applications（提升 Si/Ga2O3 异质结日盲光电探测器在水下应用中的性能）的文章。
项目支持
本研究得到福建省自然科学基金（编号：2021H0048）的资助。
背 景
日盲光电探测器（SBPD）利用其对 200–280 nm 波长范围内阳光的无响应特性，在太空安全通信、臭氧层监测、导弹早期预警及水下目标识别等关键应用中发挥重要作用。由于其固有的抗阳光背景噪声能力、对微量深紫外（DUV）信号的 selective 敏感性以及与水下环境中深紫外传输窗口的兼容性，SBPD 在水下探测领域具有不可替代的独特优势。因此，SBPD 正日益被认可为下一代海洋探测系统、自主水下航行器（AUVs）及水下光电探测器开发中的关键组件。除光谱选择性外，用于水下探测的材料还需在水溶液及典型离子富集环境中展现出强化学稳定性和抗腐蚀性。由于其抗水解和抗表面氧化特性，具有强化学惰性的材料（如金刚石、AlGaN 合金和 β-Ga2O3）更受青睐。与固态器件不同，水下光探测器需要完全自主运行，无需外部电极或电源输入，因此设备设计必须具备强大的自供电特性。
主要内容
通过低压化学气相沉积（LPCVD）方法在硅衬底上实现了 β-Ga2O3 纳米线的异质外延生长。所得的 Si/Ga2O3 异质结被用于水下深紫外（DUV）检测。研究发现，硅衬底的载流子类型及载流子浓度对 Si/Ga2O3 异质结的性能具有显著影响。P 型 Si/β-Ga2O3（2 .68 × 1015 cm−3）器件展现出高达 205.1 mA/W 的响应度，是 n 型衬底器件（响应度为 93.69 mA/W）性能的两倍。此外，随着 p 型硅衬底载流子浓度的增加，器件性能得到提升；在高载流子浓度衬底（6.48 × 1017 cm−3）上对应的器件实现了更优的响应度，达 845.3 mA/W。性能提升主要归因于 p-Si/n-Ga2O3 异质结中的内建电场以及高载流子浓度下肖特基势垒的减小。这些发现将为优化日盲紫外光探测器的载流子传输和界面工程提供策略，推动高性能日盲光探测器在水下应用中的实际应用。
结 论
通过一种简单的单步化学气相沉积（CVD）技术，已在硅衬底上成功合成了具有良好结晶度的 β-Ga2O3 纳米管阵列（NRAs）。在载流子浓度为 6.48 × 1017 cm−3 的 p 型硅衬底上制备的光电二极管（PDs）在 254 nm 光照和 0 V 偏压下展现出优异的响应度，达到 845.3 mA/W，且上升/衰减时间分别为 0.05 s 和 0.12 s。β-Ga2O3 纳米线阵列光电探测器具有多周期性和良好的长期稳定性。其优异性能可归因于高载流子浓度 p 型硅衬底与 β-Ga2O3 纳米线界面处产生的额外内建电场，该电场促进了光生电子-空穴对的有效分离，并进一步抑制了载流子的快速复合。研究结果表明，基于 β-Ga2O3 纳米线阵列的 underwater 光探测器在 0 V 偏压下具备稳定的运行能力，具有高灵敏度检测性能和广泛的应用范围，揭示了该器件在 SBUV 水下探测领域中的巨大潜力。
图1. (a) 在 900 °C 下于硅衬底上生长 30 分钟的 β-Ga2O3 纳米晶阵列（NARs）的生长示意图。 (b) X 射线衍射（XRD）谱图。 (c) (ahv)2-hv 曲线图。
图2. β-Ga2O3 纳米线：P1样品（a）低倍放大图和（b）高倍放大图。N1样品（c）低倍放大图和（d）高倍放大图。
DOI：
doi.org/10.3390/nano15141137
