【会员论文】MTP丨东北师大马剑钢团队：基于β-Ga₂O₃/Au/Cs₂AgBiBr₆异质结的三明治结构高性能深紫外-可见双波段光电探测器

        由东北师范大学马剑钢教授团队在学术期刊 Materials Today Physics 发布了一篇名为 High-performance DUV-visible dual-band photodetector enabled by β-Ga₂O₃/Au/Cs₂AgBiBr₆ heterojunction with sandwich architecture（基于β-Ga₂O₃/Au/Cs₂AgBiBr₆ 异质结的三明治结构高性能深紫外-可见双波段光电探测器）的文章。

        β-氧化镓（β-Ga₂O₃）是制造日盲深紫外（DUV）探测器的理想材料，但其超宽禁带使其对可见光“失明”，限制了其在宽光谱探测领域的应用。钙钛矿材料对可见光具有优异的吸收能力，但其自身在DUV光照下极易分解，稳定性差。目前，开发能够在同一器件上同时实现DUV和可见光高性能探测的双波段探测器是一个重要且具有挑战性的研究方向。

        覆盖深紫外（DUV）至可见光谱的高灵敏度、快速响应双波段光探测器（PD）在工业和科学应用中备受青睐。本文通过叠加 β-Ga₂O₃ 深紫外吸收层、梳状金电极及 Cs₂AgBiBr₆ (CABB) 可见光吸收层，制备出覆盖深紫外至可见光波段的夹心结构光探测器。在 5 V 偏压下，该三明治结构 PD 分别于 240 nm 波长处实现 37.74 mA/W 响应度，于 450 nm 波长处实现 0.07 mA/W 响应度，响应时间达微秒级，性能显著优于单层 β-Ga₂O₃ 或 CABB 制备的 PD。此外，该器件展现出自供电双波段检测能力，最大响应度达 8.13 mA/W。性能提升源于两种协同机制：β-Ga₂O₃/CABB 界面形成的垂直内建电场实现光生载流子空间分离，而 CABB 中更高的空穴迁移率则促进了 Au 电极间横向偏压场下的电荷收集。值得注意的是，该 β-Ga₂O₃/Au/CABB 光电探测器在 240 nm 和 450 nm 波长下均能呈现高分辨率图像。这项工作为开发高性能深紫外-可见光双波段光电探测器提供了新途径，凸显其在先进多光谱成像应用中的潜力。

        •夹层 β-Ga₂O₃/Au/Cs₂AgBiBr₆ 异质结实现高效深紫外-可见光双波段探测。

        •Cs₂AgBiBr₆ 的内建电场与高空穴迁移率协同提升载流子分离效率与传输速度。

        •该器件在深紫外与可见光照射下均实现自供电运行，并具备高分辨率多光谱成像能力。

        通过将 β-Ga₂O₃ 与全无机双钙钛矿 CABB 在夹层结构中集成，成功开发出深紫外-可见光双波段光探测器。该 β-Ga₂O₃/Au/CABB 光电探测器展现出从深紫外到可见光的双波段性能，在 5 V 偏压下于 240 nm 波长获得 37.74mA/W 响应度，于 450nm 波长获得 0.07mA/W 响应度。该器件在 240 nm 和 450 nm 波长下分别展现出 0.34/2.65 ms 和 0.014/1.45 ms 的快速响应时间。此外，其自供电工作模式下最高响应度达 8.13 mA/W。垂直内建电场与 CABB 材料中高空穴迁移率的协同效应，实现了载流子分离的同时抑制了载流子复合。通过 240 nm 和 450 nm 波长照射下对 β-Ga₂O₃/Au/CABB 光电二极管的高分辨率成像验证了其性能。这项工作不仅显著拓展了深紫外探测器功能，更为跨光谱范围的多功能应用铺平了道路。

        本研究得到中国国家重点研发计划（2021YFA0716404）、吉林省资金（20220502002GH）、国家自然科学基金（52302166、62404038、12474164），吉林省科技计划项目（20240602060RC），国家创新型人才支持计划博士后项目（BX20230064），中央高校基本科研业务费专项资金（2412023QD004、 2412024QD009），吉林省教育厅资助（JJKH20241412KJ），吉林省教育厅科研项目（JJKH20250300KJ）， 吉林省发展和改革委员会（2022C040-1），中国青年科学家基金博士后项目（GZC20240240）。

图1. (a) β-Ga₂O₃/Au/CABB 光电二极管，(b) MSM β-Ga₂O₃ 光电二极管，(c) MSM CABB 光电二极管的平面示意图。(d) β-Ga₂O₃/Au/CABB 光电二极管的截面扫描电子显微镜图像。(e) β-Ga₂O₃/CABB 异质结薄膜的 X 射线衍射图谱。(f) β-Ga₂O₃/CABB 异质结薄膜的吸光度光谱。

图2. β-Ga₂O₃/Au/CABB 光电倍增管、MSM β-Ga₂O₃ 光电倍增管及 MSM CABB 光电倍增管的光电性能如下所示：(a) 暗态 I-V 曲线对比分析；(b) 240 nm 光照下的 I-V 曲线； (c) 450 nm 光照下的 I‒V 曲线；(d) 0 V 偏压下的响应度曲线；(e) 5 V 偏压下的响应度曲线；(f) 5 V 偏压下的检出率曲线。

图3. (a) β-Ga₂O₃/Au/CABB光电二极管在深紫外照射下的载流子传输过程示意图。(b) β-Ga₂O₃/Au肖特基结在深紫外照射下的能带图。(c) β-Ga₂O₃/CABB异质结在深紫外照射下的能带图。(d) 可见光照射下β-Ga₂O₃/Au/CABB光电二极管中载流子传输过程示意图。可见光照射下(e) Au/CABB欧姆接触与(f) β-Ga₂O₃/CABB异质结的能带图。

图4. 0 V 电压下的 I-t 曲线：(a) 240 nm 光照下 MSM β-Ga₂O₃ 与β-Ga₂O₃/Au/CABB 探测器；(b) 450 nm 光照下 MSM CABB 与 β-Ga₂O₃/Au/CABB 探测器。在 5 V 偏压下 240 nm 光照条件下：(c) β-Ga₂O₃/Au/CABB 光电二极管与 (d) MSM β-Ga₂O₃ 光电二极管的瞬态响应时间曲线图。在 5 V 偏压下 450 nm 光照条件下：(e) β-Ga₂O₃/Au/CABB 光电二极管与 (f) MSM CABB 光电二极管的瞬态响应时间曲线。

图5. β-Ga₂O₃/Au/CABB 探测器的成像能力。（a）单像素扫描成像系统示意图。（b）待成像目标图案。（c）240 nm 照明条件下获得的成像结果。（d）450 nm 照明条件下获得的成像结果。

DOI：

doi.org/10.1016/j.mtphys.2025.101935