【会员论文】北邮吴真平教授&南邮唐为华教授的团队：基于 p-CuZnS/n-Ga₂O₃ 异质结的超低暗电流高灵敏度自供电日盲紫外光探测器

        由北京邮电大学吴真平教授联合南京邮电大学唐为华教授、李山副教授、内蒙古大学刘增研究员、兰州理工大学的研究团队在学术期刊Vacuum发布了一篇名为 Ultralow dark current and high-sensitivity self-powered solar-blind UV photodetector with p-CuZnS/n-Ga₂O₃ heterojunction（基于 p-CuZnS/n-Ga₂O₃ 异质结的超低暗电流高灵敏度自供电日盲紫外光探测器）的文章。

背   景

        在森林防火、深海通信和导弹预警等领域，能够无需外接电源工作的自供电日盲紫外探测器具有极高的应用价值。虽然氧化镓（Ga₂O₃）作为超宽带隙半导体是制备此类探测器的天然材料，但目前大多数氧化镓探测器仍面临暗电流较大、响应度不足以及高度依赖外部偏压等瓶颈。为了实现高效的自驱动光电转换，研究团队利用具有p型半导体特性的CuZnS与n型Ga₂O₃结合，构建了具有强内置电场的p-n异质结结构，旨在通过优化能带匹配来抑制暗电流并提升光生载流子的分离效率，从而开发出低成本、高性能的自供电探测器。

主要内容

        自供电日盲紫外光电探测器在火灾预警和光通信领域具有广阔前景，但面临材料和功率的限制。然而，由于材料本身的局限性和对外部电压的依赖，大多数日盲光电探测器并未展现出显著优势。因此，开发低成本、低功耗、高性能的自供电日盲紫外探测器具有相当大的研究价值。在本研究中，通过简单的化学浴沉积法，制备了一种基于p型CuZnS和n型Ga₂O₃的异质结日盲光电探测器。与CuZnS和Ga₂O₃单器件相比，该异质结光电探测器具有超低的暗电流（1.6 × 10^-15 A）、高的光暗电流比（PDCR）（5.2 × 10⁶）和优异的紫外-可见光抑制比（R245 nm/R400 nm）（1.9 × 10⁵）。该光电探测器对微弱的深紫外信号（0.1 μW/cm²）表现出高灵敏度，并且对信号强度的细微变化具有高分辨率。在0 V 下 254 nm光的照射下，该光电探测器表现出较大的响应率（34.6 mA/W）和较高的探测率（1.5×10¹² Jones）。这表明，基于 CuZnS/Ga₂O₃异质结的器件结构设计是超高灵敏度和自供电日盲紫外信号光电探测的优秀候选方案。

创新点

        ● 得益于p-CuZnS/n-Ga₂O₃异质结形成的有效势垒，器件在零偏压（自供电模式）下的暗电流仅为10¹³ A级别。这种超低暗电流确保了极高的信噪比，使其能够检测到微弱的紫外信号。

        ● 该探测器在不依赖外部电源的情况下，展现出极高的比探测率。同时，其“日盲/可见光”抑制比超过10³，证明了其对日盲波段信号的高度选择性。

        ● 器件表现出优异的动态特征，其响应时间极快，上升时间和下降时间分别缩短至14 ms和18 ms。这种快速响应能力对于实时监测和高速光通信应用至关重要。

        ● 研究通过机理分析证实，CuZnS与Ga₂O₃形成了Type-II（阶梯型）能带排列。这种结构在界面处产生强大的内置电场，能够迅速分离光生电子-空穴对，是实现高效自供电工作的物理核心。

        ● 研究采用了溶液法（如旋涂工艺）制备CuZnS薄膜，证明了该异质结方案不仅性能优异，而且在降低制造成本和实现大面积柔性器件方面具有显著优势。

结   论

        综上所述，研究团队基于Ga₂O₃/CuZnS异质结制备了一种自供电的日盲紫外光电探测器，该探测器具有高响应性和极高的紫外-可见光抑制比。该器件表现出优异的光电性能，暗电流低至1.6 × 10^-15 A，光暗电流比（I_light/I_dark）高达5.2 × 10⁶，紫外-可见光抑制比（R245 nm/R400 nm）出色，达到1.9 × 10⁵，响应率高达34.6 mA/W，探测率高达1.5×10¹² Jones。这些结果表明，Ga₂O₃/CuZnS 薄膜器件作为高性能、自供电的深紫外光电探测器具有巨大的实际应用潜力。

项目支持

        本项工作部分得到了南京邮电大学引进人才自然科学研究启动基金（项目编号：NY224052）、中国甘肃省自然科学基金（项目编号：25JRRA087）以及兰州理工大学红柳杰出青年人才资助计划的资助。