中科院李舟研究員和孟建平副研究員Mater. Today：多效應耦合增強GaN/BaTiO3異質結自驅動紫外光電探測器，用于超弱紫外線檢測和火焰探測

一、導讀

紫外光電探測器是檢測各波長光時不可缺少的一部分，在軍事和民用領域中扮演著重要的角色，它廣泛應用于紫外成像、紫外通訊、導彈預警、空氣/水凈化、生化檢測、臭氧層監測、森林防火、環境監測等領域。物聯網（IoT）技術的進步促使對高性能傳感器的應用需求不斷增長，自供電異質結傳感器因其低功耗和低維護成本的優勢受到研究人員的廣泛關注。但對弱光的探測能力差一直是限制自驅動紫外光探測器面向實際應用的一大難題，尤其是在火焰探測這類特殊的應用場景中，器件需要對1 nW/cm²以下強度的紫外光有響應。降低暗電流噪聲水平和增強光響應是提高光電探測器靈敏度的關鍵，將多種效應耦合是破解這一難題的有效路徑。

二、成果掠影

近日，中國科學院北京納米能源與系統研究所李舟研究員和孟建平副研究員在Materials Today期刊發表了題為“Multi-effect coupling enhanced self-powered heterojunction ultraviolet photodetector with ultra-low detection limit”的論文。該研究針對GaN薄膜在紫外波段表面反射損失大和光生載流子的表界面復合，光子利用率低，其器件難以對小于1 nW/cm²紫外光實現高響應度和快速回復性能的解耦合等問題。孟建平副研究員提出通過鐵電減反射層降低表面反射損失，鐵電極化場降低暗態電流和光生載流子的表界面復合，鐵電薄膜和GaN的熱釋光電子效應縮短響應回復時間。制備出的GaN/BaTiO₃鐵電異質結實現對0.68 nW/cm²超弱紫外光高響應度和快速響應回復的解耦合， 并進行火焰探測驗證。通過在GaN表面制備20 nm厚去向生長的BaTiO₃薄膜實現減反射效應，顯著降低了入射光的在GaN表面反射損失。同時，鐵電薄膜的剩余極化場調控異質結勢壘高度可以有效抑制暗態電流至5 pA，提高了器件的最小檢測限。極化后鐵電薄膜的熱釋光電子效應顯著增強，提高了器件的響應度和響應速度。器件對0.68 nW/cm²紫外光的響應度為46.631 mA/W，比探測率為3.901×10¹³ Jones，響應回復時間為18/13 ms。

三、核心創新點

1.通過耦合減反射效應、鐵電極化和熱釋光電子效應協同提升了紫外光電探測器的性能，對入射光功率密度為0.68 nW/cm²的超弱紫外線實現高靈敏快速探測。

2.深入探究了鐵電極化場對異質結的勢壘調控作用，通過提高異質結處的能壘而降低暗電流（熱噪聲）。

3.無封裝器件經過6個月的后仍展現出對火焰的靈敏探測能力，保持穩定的光電流信號，可用于長期遠程火情監控。

四、數據概覽

圖1.通過耦合鐵電計劃場、減反射效應和熱釋光電子效應耦合增強自驅動紫外光電探測器用于火焰探測的示意圖。

圖2. BaTiO₃薄膜的制備和表征。（a）GaN襯底上生長的BaTiO₃薄膜的部分放大XRD圖；（b）GaN襯底上生長的BaTiO₃薄膜橫截面的HRTEM圖像，插圖為四方相晶粒的放大圖；（c）在非晶SiO₂襯底上生長的BaTiO₃薄膜的吸收光譜，插圖為通過Tauc Plot方法得到的(ahn)²-hn關系曲線；（d）BaTiO₃薄膜的XPS譜；（e）GaN襯底上生長的BaTiO₃薄膜的相位/幅度-電壓函數圖；（f）GaN/BaTiO₃薄膜表面反射率的實驗值和擬合值。

圖3. 器件結構和光電性能表征。（a）器件結構示意圖；（b）i .非極化器件示意圖（箭頭代表BaTiO₃薄膜內的鐵電疇）；ii 極化器件示意圖；iii 暗態和光照條件下極化前后器件的I-V曲線；（c）不同光照條件下極化器件的I-t特性；（d）本工作與其他自供電紫外光電探測器的檢測限比較。

圖4. 器件的光電響應性能分析。（a）0.68 nW/cm²入射光下，器件單個光電信號的脈沖時間響應分析；器件在（b）fresh狀態和（c）polarization狀態下的響應回復時間；器件在fresh狀態和polarization狀態下的（d）響應度、（e）比探測率和（f）光電流峰值與光功率的關系。

圖5. 器件的能帶結構。（a）接觸前Ag、BaTiO₃、GaN、In的能帶排列；（b）i 極化前和ii極化后GaN/BaTiO₃異質結在暗態條件下的能帶排列；iii 325 nm紫外光下極化后GaN/BaTiO₃異質結的能帶排列。

圖6. 器件在火焰探測中的應用。（a）i 應用演示中使用的實驗設備，插圖為器件的光學圖像；ii 暗態條件下器件的暗電流數據；（b）i 點燃的酒精燈向器件表面發射紫外線，插圖顯示了器件前面用于阻擋熱量的非晶SiO₂玻璃板；ii 火焰探測裝置獲得的光電信號；（c）火焰探測和報警系統示意圖。

五、成果啟示

本論文提出了一種具有極低檢測限的GaN/BaTiO₃異質結型自驅動紫外光電探測器，可用于火焰探測和火災預警。通過光學設計對BaTiO₃薄膜的厚度進行了優化擬合，使得器件表面對325 nm入射光的反射率由21%降低到12%，減少了入射光的表面反射損失。高壓極化后的BaTiO₃薄膜具有增強的剩余極化場，有效抑制了器件的暗電流，提高了器件對弱光的探測能力。同時，極化后器件的熱釋光電子效應顯著增強，所產生的熱釋電電流峰值隨之變大，提高了器件的響應度和響應速度。極化后的器件可在0偏壓下穩定檢測0.68 nW/cm²的超弱紫外光，上升時間和下降時間低至18 ms和13 ms。器件的最大響應度和比探測率分別為88.206 mA/W和7.392×10¹³ Jones，較極化前的器件提高了359%和6065%。具有超弱紫外光探測能力的GaN/BaTiO₃異質結光電探測器在火災預警、紫外制導和環境監測等領域具有廣闊的應用潛力。

文獻鏈接：

Mengji Dong, Xuemei Zheng, Qi Li, Yanli Liu, Xuan Di, Jianping Meng*, Zhou Li*. Multi-effect coupling enhanced self-powered heterojunction ultraviolet photodetector with ultra-low detection limit. Materials Today, 2024, https://doi.org/10.1016/j.mattod.2024.03.004