基于CuSCN/Ga₂O₃异质结的高灵敏度自供电深紫外光电探测器研究

一、作者与发表信息
本研究的通讯作者为Zeng Liu与Weihua Tang，合作单位包括北京邮电大学信息功能材料与器件实验室、南京邮电大学电子与光学工程学院/微电子学院等。研究成果发表于*Optics Communications*期刊2022年第504卷，文章编号127483。

二、学术背景
深紫外（DUV）光电探测器在空间通信、环境监测等领域具有重要应用。传统紫外探测器如光电倍增管存在体积大、功耗高等问题，而硅基器件因带隙窄难以满足深紫外探测需求。第三代宽禁带半导体（如Ga₂O₃）因其超宽禁带（~4.8 eV）成为理想候选材料。然而，Ga₂O₃的p型掺杂困难限制了其异质结器件的开发。本研究提出以p型CuSCN（带隙~3.9 eV）与n型Ga₂O₃构建异质结，旨在实现高性能自供电深紫外探测。

三、研究流程与方法
1. 材料制备
- Ga₂O₃薄膜生长：采用金属有机化学气相沉积（MOCVD）技术，在蓝宝石衬底上沉积500 nm厚Ga₂O₃薄膜，生长温度500°C，前驱体为三乙基镓（TEGa）。
- CuSCN薄膜制备：通过旋涂法将CuSCN溶液（10 mg/mL二丙基硫醚溶剂）涂覆于Ga₂O₃表面，经120°C退火15分钟形成50 nm厚薄膜。

1. 器件构建

   • 采用掩膜技术制备Ti/Au电极，通过直流磁控溅射沉积电极材料。
     
   • 异质结结构验证：X射线衍射（XRD）确认Ga₂O₃的（201）、（402）晶向与CuSCN的（003）、（006）晶向；扫描电镜（SEM）显示清晰的界面层。
     

2. 性能表征

   • 光电测试：使用Keithley 4200系统在暗室中测量电流-电压（I-V）特性，光源为254 nm和365 nm紫外灯（强度1000 μW/cm²）。
     
   • 光谱响应：通过单色仪（氙灯激发）测试200–700 nm范围内的响应度（Responsivity）。
     
   • 时间响应：记录光开关周期（20 s开/20 s关）下的瞬态电流，拟合上升/下降时间。
     

四、主要结果
1. 光电性能
- 在254 nm光照、-5 V偏压下，器件表现出高灵敏度：光暗电流比（PDCR）达1.29×10⁴，响应度（R）为5.5 mA/W，比探测率（D*）为3.8×10¹¹ Jones。
- 自供电模式下（0 V），响应度为0.11 mA/W，PDCR为2.27×10³，证明无需外部偏压即可工作。

1. 光谱选择性

   • 器件对270 nm光的响应度（R₂₇₀）与600 nm光（R₆₀₀）的抑制比达4.33×10³，表明优异的日盲紫外探测能力。
     

2. 时间响应

   • 上升时间（τᵣ）为0.45 s（快分量）和3.80 s（慢分量），下降时间（τ_d）为0.26 s，优于多数同类异质结器件。
     

3. 能带机制

   • 紫外-可见吸收光谱测得Ga₂O₃和CuSCN带隙分别为4.96 eV和3.89 eV。能带对齐分析显示为II型异质结，界面处形成内建电场，促进光生载流子分离。
     

五、结论与价值
本研究通过MOCVD与旋涂法构建了CuSCN/Ga₂O₃异质结光电探测器，其高灵敏度、快速响应和自供电特性使其在深紫外探测领域具有应用潜力。科学价值在于：
1. 为解决Ga₂O₃的p型掺杂难题提供了替代方案（使用p型CuSCN）。
2. 为低功耗、高集成度紫外探测器设计提供了新思路。

六、研究亮点
1. 材料创新：首次将CuSCN作为p型层与Ga₂O₃结合，利用其高空穴迁移率提升器件性能。
2. 工艺简化：旋涂法相较于传统气相沉积更易规模化。
3. 性能优势：在自供电模式下仍保持高PDCR和探测率，优于同类器件（如CuGaO₂/Ga₂O₃和CuCrO₂/Ga₂O₃）。

七、其他发现
器件在弱光（1 μW/cm²）下仍表现出10.47 mA/W的高响应度，适用于低光强环境监测。此外，线性动态范围（LDR）达77 dB，表明其宽动态探测能力。