中国科学院重庆研究院陆文强研究员团队：可控 Sn 掺杂与石墨烯界面优化的自供电 β-Ga₂O₃ 纳米线日盲探测器—超高光暗电流比深紫外探测

由中国科学院重庆绿色智能技术研究院陆文强研究员联合重庆邮电大学、重庆大学和中国科学院大学的研究团队在学术期刊 ACS Applied Nano Materials 发布了一篇名为 Self‑Powered β-Ga₂O₃ Nanowire via Controlled Sn‑Doping and Graphene Interface Optimization Solar Blind Detector for Ultrahigh Photo‑To‑Dark Current Ratio Deep‑UV Detection（基于可控 Sn 掺杂与石墨烯界面优化的自供电β-Ga₂O₃ 纳米线日盲探测器用于超高光暗电流比深紫外探测）的文章。

背景

日盲紫外（Solar‑blind ultraviolet，UV）波段波长范围为 200‑280 nm，大气对该波段光强烈吸收，使其具备强抗干扰、高隐蔽的特点，在导弹预警、紫外通信、火焰探测、环境污染物监测等领域具备重要应用价值。传统日盲紫外光电探测器大多基于 GaN、AlGaN 这类宽禁带半导体，存在制备成本高、响应速度慢、暗电流偏大等问题。β-Ga₂O₃ 作为超宽禁带半导体，本征具备日盲响应特性，击穿电场高、化学稳定性优异，成为该领域研究热点。但纯 β-Ga₂O₃ 纳米线存在载流子迁移率低、氧空位浓度高、暗电流大等缺陷，制约器件性能。元素掺杂是调控氧化镓光电性能的有效手段，Sn 是常用 n 型掺杂剂。自供电光电探测器无需外加偏压即可检测光信号，是低功耗集成器件的重要发展方向，构建 p‑n 异质结是实现自供电的核心途径。石墨烯拥有极高载流子迁移率、透光性与导电性，用作界面修饰层能够优化载流子输运，降低界面复合。目前 Sn 掺杂 Ga₂O₃ 研究多集中于薄膜，纳米线掺杂调控、石墨烯直接修饰高结晶 Sn 掺杂 β-Ga₂O₃ 纳米线网络的相关研究较为匮乏。

主要内容

虽然基于氧化镓（Ga₂O₃）的日盲紫外（UV）光电探测器在弱信号检测方面具有巨大潜力，但裸露的 Ga₂O₃ 纳米线常常存在高暗电流和严重的表面光腐蚀问题。为了克服这些限制并实现超高零偏灵敏度，该团队设计了石墨烯/Sn 掺杂 Ga₂O₃ 纳米线/p-GaN 异质结。Sn 掺杂 Ga₂O₃ 纳米线通过在 p-GaN 衬底上进行化学气相沉积合成，随后进行石墨烯界面修饰。通过系统优化 Sn 掺杂浓度和界面接触，所制备器件在 254 nm 光照（82 µW/cm²）下表现出优异的自供电光电性能。具体而言，在前驱体质量比 Ga₂O₃：diamond/SnO₂ = 10:10:7 的最佳条件下，该光电探测器实现了 0.238 pA 的超低暗电流、4.21×10⁶ 的超高光暗电流比、2.5×10¹⁴ Jones 的比探测率、0.389 A/W 的响应度和 190% 的外量子效率。此外，该器件还表现出快速的响应时间（<20 ms）和超过 2400 s 的稳健连续循环稳定性。该工作为先进的自主供电日盲紫外光电探测器提供了一种高效异质结设计策略。

图1. Gr/Sn:β‑Ga₂O₃ 纳米线日盲紫外光电探测器制备流程示意图

创新点

①自供电日盲探测与超高光暗电流比：该团队通过在 p-GaN 衬底上生长 Sn 掺杂 β-Ga₂O₃ 纳米线并构建 p-n 异质结，实现了零偏压下的自供电日盲深紫外探测；在最佳掺杂条件下，器件实现了 0.238 pA 的超低暗电流和高达 4.21×10⁶ 的超高光暗电流比（PDCR），展现出极强的弱信号分辨能力。

②锡掺杂浓度系统优化：该团队通过化学气相沉积法系统调控 SnO₂ 前驱体用量（30–80 mg），确定 70 mg（Sn 原子占比约 2.9 at%）为最优掺杂浓度；随前驱体由 30 mg 增至 70 mg，光电流由约 53.7 nA 提升至约 585.3 nA（约 11 倍），而过度掺杂（80 mg）会因晶格畸变导致性能下降。

③石墨烯界面修饰增强：石墨烯旋涂并退火处理后，通过钝化表面悬挂键、缓解表面耗尽，并利用高迁移率二维导电网络加速载流子提取，使器件光电流进一步从约 585.3 nA 提升至超过 1000 nA。

④优异的关键性能指标：器件实现了 0.389 A/W 的响应度、2.5×10¹⁴ Jones 的比探测率、190% 的外量子效率（EQE），以及低于 20 ms 的快速响应和恢复时间。

⑤出色的光谱选择性与循环稳定性：器件仅对 254 nm 和 290 nm 深紫外/日盲波段敏感，对 380 nm 近紫外几乎无响应，且经过 2400 s 连续循环测试后性能无衰减，表现出优异的抗光疲劳能力和循环稳定性。

结论

该团队制备 Gr/Sn:β-Ga₂O₃/p-GaN 异质结自供电日盲紫外探测器。当前驱体质量比为 10:10:7 时，纳米线晶体质量最优。零偏、254 nm 光照条件下，器件暗电流低至 0.238 pA，光暗电流比达 4.21 × 10⁶，比探测率 2.5 × 10¹⁴ Jones，响应度 0.389 A/W，外量子效率 190 %，响应时间小于 20 ms。2400 s 循环测试表明器件拥有优异抗光疲劳与长期运行可靠性。适度 Sn⁴⁺ 掺杂减少氧空位缺陷；GaN/Sn:β-Ga₂O₃ 形成 Type-II 交错能带，产生强内建电场，实现器件自供电；石墨烯修饰降低界面复合，提升载流子收集效率。该器件克服传统氧化镓探测器暗电流高、依赖外偏压等短板，可应用于火焰探测、深空紫外通信、环境监测等场景，也为宽禁带异质结界面工程提供实验与理论参考。

项目支持

该团队的研究工作得到了重庆市自然科学基金创新发展联合基金（No. CSTB2024NSCQ-LZX0022 和 No. 2025NSCQ-LZX0054）的资助支持。

DOI：doi.org/10.1021/acsanm.6c02947