由黃河科技學(xué)院的研究團(tuán)隊(duì)在學(xué)術(shù)期刊 Journal of Alloys and Compounds 發(fā)布了一篇名為 Towards solar-blind ultraviolet signal visualization of photodetection and electroluminescenc integrated devices through Er doping（通過鉺摻雜實(shí)現(xiàn)光電探測和電致發(fā)光集成器件的日盲紫外信號可視化）的文章。

一、 項(xiàng)目支持

本研究得到鄭州市基礎(chǔ)研究和應(yīng)用基礎(chǔ)研究專項(xiàng)資金項(xiàng)目（ZZSZX202402）、河南省高校科技創(chuàng)新人才計(jì)劃（24HASTIT002）以及黃河科技學(xué)院博士創(chuàng)業(yè)基金（0203240058）的資助。

二、 背景

日盲深紫外（DUV）光電探測器在火焰預(yù)警、安全通信等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價(jià)值。β-氧化鎵（β-Ga₂O₃）是制造此類探測器的理想材料，因?yàn)樗哂谐瑢捊麕В軐?shí)現(xiàn)高靈敏度的日盲探測。然而，DUV 光本身是不可見的，并且對人體有害，這使得對 DUV 信號的直接監(jiān)測既困難又不安全。因此，開發(fā)一種能夠?qū)⒉豢梢姷?DUV 信號可視化的智能器件，具有重大的實(shí)際應(yīng)用意義。稀土元素摻雜是一種實(shí)現(xiàn)光子上下轉(zhuǎn)換的有效手段，Er³? 離子可以在電激發(fā)下發(fā)出特征性的綠色和紅色可見光。

三、 主要內(nèi)容

基于 Ga₂O₃ 的日盲紫外光探測器在火焰與電弧檢測領(lǐng)域具有重要應(yīng)用潛力，但其器件性能受限于晶體質(zhì)量差與暗電流高的問題。同時(shí)，集成多種光電功能有助于縮小器件尺寸并提升反饋速度。稀土摻雜作為有效優(yōu)化策略，不僅能提升探測器光響應(yīng)性能，還能賦予其電致發(fā)光功能。本文提出有機(jī)前驅(qū)體分解合成策略制備 Er 摻雜 Ga₂O₃ 薄膜，構(gòu)建 Ga₂O₃:Er/SiO₂/p-Si 異質(zhì)結(jié)器件。通過降低暗電流、抑制氧缺陷及提高淺能級陷阱濃度，顯著提升光探測器性能。在 254 nm 光照射下，器件分別達(dá)到響應(yīng)度∼5.25?×?10³ mA?W⁻¹、檢出率 ∼3.67?×?10¹⁴ Jones 及響應(yīng)時(shí)間 ∼50 μs。器件在高反向電壓下呈現(xiàn)的 Er 相關(guān)電致發(fā)光現(xiàn)象，可歸因于齊納隧道主導(dǎo)的電輸運(yùn)行為所誘導(dǎo)的熱電子效應(yīng)。此類集光電檢測與電致發(fā)光功能于一體的器件，實(shí)現(xiàn)了光-電-光信號轉(zhuǎn)換及紫外信號可視化。本研究對開發(fā)高性能日盲紫外探測器及多功能集成器件具有重要意義。

四、 亮點(diǎn)

• 提出一種新型柔性 Ga₂O₃ 基薄膜合成方法。

• Er 摻雜可顯著提升 Ga₂O₃ 基日盲紫外探測器性能。

• 器件在 254nm 光照射下達(dá)到約 3.67×10¹⁴ Jones 的探測靈敏度。

• 同構(gòu)器件在反向電壓下展現(xiàn)出稀土離子的特征電致發(fā)光性能。

• 集成器件實(shí)現(xiàn)光-電-光信號轉(zhuǎn)換，并可視化紫外信號。

五、 總結(jié)

本文報(bào)道已開發(fā)出一種通用且靈活的合成方法，可制備未摻雜及稀土摻雜的 Ga₂O₃ 薄膜，用于構(gòu)建 Ga₂O₃ 相關(guān)光電子器件。Er 摻雜可提升 Ga₂O₃ 的晶體質(zhì)量、減少氧缺陷、縮窄帶隙并增加淺能級陷阱濃度，從而抑制暗電流并改善紫外光探測器的光響應(yīng)性能。在 254 nm 光照射下、-1 V 電壓條件下，所制備器件的響應(yīng)度 R、比探測率 D* 及響應(yīng)時(shí)間分別為 ~5.25 × 10³ mA W⁻¹、~3.67 × 10¹⁴ Jones 和 ~50 μs。同時(shí)，該器件在高反向電壓下展現(xiàn)出稀土相關(guān)電致發(fā)光行為，這可歸因于熱電子主導(dǎo)的電學(xué)傳輸行為中，稀土離子通過熱電子碰撞激發(fā)產(chǎn)生的發(fā)光效應(yīng)。此外，器件的稀土相關(guān)電致發(fā)光行為會(huì)隨電流變化受到外部光照影響。因此該器件可在紫外光或電弧照射下實(shí)現(xiàn)光-電-光信號轉(zhuǎn)換。本工作為高性能日盲紫外探測器開發(fā)、光響應(yīng)與電致發(fā)光功能集成以及紫外信號可見反饋提供了新思路。

圖1. (a) Ga₂O₃:Er 薄膜的合成過程。(b) 合成 PVA-Ga-Er 薄膜和 Ga₂O₃:Er 薄膜的典型相機(jī)照片。PVA-Ga-Er 復(fù)合薄膜的橫截面光學(xué)圖像（上圖）、Ga₂O₃:Er 薄膜的光學(xué)圖像（中圖）以及對應(yīng)的原子力顯微鏡圖像（下圖），分別對應(yīng)前驅(qū)體溶液體積為 (c) 5 mL、(d) 10 mL、 (e) 15 mL，(f) 20 mL 時(shí)分別獲得的典型相機(jī)照片。(g) 不同厚度 Ga₂O₃:Er 薄膜的厚度曲線，(h) δ_G 與 δ_P 的依賴關(guān)系。(i) RGB 色彩模型中 R 通道的色彩-厚度關(guān)系。

圖2. (a) XRD衍射圖譜，(b) EPR 譜圖，(c) XPS O1s 譜圖，(d) XPS Ga2p 譜圖，(e) 價(jià)帶譜圖，(f) 不同 Er 摻雜濃度薄膜的吸收光譜曲線。 (g) 不同 Er 摻雜濃度下異質(zhì)結(jié)的能帶特征。

圖3. (a) 未摻雜 Ga₂O₃ 與 (b) Ga₂O₃:Er 納米材料的透射電子顯微鏡圖像。 (c) 未摻雜 Ga₂O₃ 與 (d) Ga₂O₃:Er 納米材料的高分辨率透射電子顯微鏡圖像。 (e) 未摻雜 Ga₂O₃ 與 (f) Ga₂O₃:Er 納米材料的衍射圖譜。(g) Ga₂O₃:Er 納米材料的高角環(huán)形暗場圖像及不同元素分布。

圖4. (a) 多層異質(zhì)結(jié)器件結(jié)構(gòu)示意圖。(b) 器件局部截面SEM圖像及EDS元素分布。(c) 不同摻雜濃度器件在單對數(shù)坐標(biāo)系下的暗場 I-V 曲線。(d) 不同器件在 -1 V 電壓下，交替切換 254nm@1.55μW/cm² 光源時(shí)的光電流-時(shí)間曲線。(e) 摻雜濃度為 3mol%Er 的器件在不同 254nm 功率密度下的光電流-時(shí)間曲線，(f) I_ph-P 的數(shù)值依賴關(guān)系。(g) 器件精確響應(yīng)時(shí)間。(h) 受光照條件下異質(zhì)結(jié)的電荷轉(zhuǎn)移機(jī)制。(i) 器件溫度分布的紅外熱成像圖及 (j) 不同溫度下的對應(yīng) I-t 曲線。

圖5. 分別在 −0.9 mA 電流下測得的 (a) Er 摻雜、(b) Eu 摻雜和 (c) Tm 摻雜器件的電致發(fā)光光譜，其中插圖為暗場數(shù)碼相機(jī)圖像。(d) Er³⁺、Eu³⁺ 和 Tm³⁺ 離子的能級結(jié)構(gòu)。(e) 不同稀土摻雜器件的暗場相機(jī)圖像，呈現(xiàn)設(shè)計(jì)好的“H”、‘S’、“T”和“C”圖案。(f) 局部電致發(fā)光光譜對器件電流的依賴關(guān)系，以及 I_EL@550nm 與電流 I 之間的關(guān)聯(lián)。(g) 高反向電壓下的 I-V 曲線。(h) 電致發(fā)光與光致發(fā)光特性中 550 nm 波長強(qiáng)度衰減曲線（其中光致發(fā)光特性曲線采用 532 nm 激光激發(fā)獲得）。

圖6. (a) 器件在反向電壓下的可能電致發(fā)光機(jī)制。(b) 實(shí)現(xiàn)紫外光可視化及不同波段信號轉(zhuǎn)換的對應(yīng)示意圖。(c) 器件在 -18 V 電壓下經(jīng) 254 nm 光反復(fù)照射時(shí) I 和 I_EL@550nm 的變化曲線。(d) 不同 254 nm 光功率密度下 -18 V 電壓條件下 I_EL@550nm 的變異規(guī)律，(e) I_EL@550nm 與光功率密度 (P) 的數(shù)值關(guān)聯(lián)關(guān)系。(f) 實(shí)現(xiàn)電子設(shè)備電弧可視化監(jiān)測與實(shí)時(shí)反饋的對應(yīng)原理示意圖。器件在反向偏壓下的暗場相機(jī)圖像：(g) 無電弧信號時(shí)與 (h) 有電弧信號時(shí)。(i) 脈沖電弧信號作用下 I_EL@550nm 與電流I的變化曲線。

DOI：

doi.org/10.1016/j.jallcom.2025.184772

本文轉(zhuǎn)發(fā)自《亞洲氧化鎵聯(lián)盟》訂閱號