交流光伏效应增强的耐热GaN光电探测器及其在高灵敏度风速传感中的应用

《Interdisciplinary Materials》：Alternating Current Photovoltaic Effect Enhanced Heat-Resisting GaN Photodetector and Its Application in Highly Sensitive Wind Speed Sensing

紫外光电探测器研究通过GaN Schottky结的AC PV效应实现响应速度提升一个数量级，并集成磁悬浮结构开发出0.5m/s低风速传感器，验证600℃高温稳定性，为极端环境应用提供新方案。

　　紫外光（UV）光电探测器在环境监测、医疗诊断以及军事侦察等领域具有广泛的应用前景。近年来，基于氮化镓（GaN）的UV光电探测器因其在宽波段吸收能力和优异的物理化学稳定性而受到广泛关注。然而，这类探测器在实际应用中仍面临成本控制、工艺复杂性以及提升检测性能等关键挑战。本文提出了一种基于交替电流光伏效应（AC PV effect）的新型GaN结构，显著提升了探测器的响应灵敏度和响应速度，同时在高温环境下仍能保持良好的性能。此外，将该探测器与磁悬浮结构结合，开发出了一种高灵敏度的光电风速传感器，具备超低启动风速（0.5 m/s）和快速响应时间（25.3 ms），为在极端环境下部署高性能UV光电探测器提供了新的思路。

在实际应用中，UV光电探测器的性能提升一直是研究的重点。提高响应率和响应速度不仅能够增强探测器对弱光信号的捕捉能力，还能提升其在动态环境中的适用性。本文中，研究人员通过引入AC PV效应，利用GaN的Schottky结特性，设计了一种双Schottky结构的ITO/p-GaN/ITO光电探测器。这种结构在室温下表现出高达15 mA/W的响应率和7×1012 Jones的检测灵敏度，响应时间仅需286 μs。相较于传统光电探测器，该设备的响应速度更快，且在高温条件下仍能保持稳定运行，甚至在600°C的环境下依然能有效工作。这一特性对于需要在恶劣环境中进行长期监测的应用场景尤为重要，如工业高温环境中的气体检测或航空航天领域的传感器部署。

为了进一步验证该探测器的性能，研究人员进行了系统化的测试，包括不同光强下的光电响应、响应时间分析以及高温下的性能评估。测试结果表明，随着光强的增加，探测器的响应率和检测灵敏度均呈现上升趋势，但响应时间并未显著变化，说明该结构在不同光强条件下仍能保持高效的信号处理能力。在高温测试中，探测器不仅表现出增强的响应能力，还显示出较低的暗电流，这有助于减少背景噪声对信号的干扰。同时，高温环境下的检测灵敏度提升表明该设备具备良好的热稳定性，适用于高温工作条件下的光电检测任务。

AC PV效应的核心在于半导体界面的周期性光照射引发的电荷分布变化。在GaN的Schottky接触界面，光照射会导致费米能级的分裂与重新排列，从而在正反方向产生脉冲电流信号。这种机制使得探测器能够在不依赖外部电源的情况下实现自供电运行，同时提升其响应速度和灵敏度。通过实验，研究人员发现，AC PV效应可以显著增强探测器的响应率，使其在低光强下仍能保持较高的检测能力。这种机制不仅适用于传统UV探测器的性能优化，也为新型光电探测器的设计提供了理论支持。

此外，将该探测器应用于风速传感器的开发中，展示了其在实际工程中的巨大潜力。传统的风速传感器通常依赖于机械结构（如风叶）来捕捉风速变化，这种设计在低风速条件下容易受到机械摩擦和结构限制的影响，导致启动风速较高。本文提出的一种基于磁悬浮技术的光电风速传感器，利用GaN探测器的光电响应特性，通过风叶旋转切割光路，从而产生周期性电流信号。该设计消除了传统机械结构对信号的干扰，实现了更精确的风速测量。磁悬浮技术的应用大幅降低了风叶的旋转阻力，使得传感器在较低风速（0.5 m/s）下即可启动，并在25.3 ms内完成响应，相较于传统风速传感器具有更优的性能。

该风速传感器的结构由感知单元和处理单元组成。感知单元包括光电探测器、磁悬浮风叶系统以及便携式UV光源。磁悬浮风叶系统通过消除机械摩擦，提高了传感器的启动风速和响应速度。处理单元则负责采集探测器输出的电流信号，通过低通滤波器进行信号净化，并利用快速傅里叶变换（FFT）提取频率信息，进而与已知的风速数据进行关联。实验表明，传感器在不同频率下表现出稳定的信号输出，且与实际风速存在良好的线性关系，能够在0–5.5 m/s的风速范围内实现精准测量。

本研究的创新之处在于将GaN的AC PV效应与磁悬浮结构相结合，不仅提升了光电探测器的性能，还拓展了其在风速测量等非传统领域的应用潜力。这种新型传感器在不依赖外部电源的情况下，能够实现快速、准确的风速检测，同时具备优异的热稳定性，适用于高温或恶劣环境。此外，其超低启动风速特性使其在微风监测、风力发电等应用场景中具有显著优势。研究还指出，该探测器在高温下表现出增强的响应能力，表明其在工业高温环境中的适用性。

从技术实现的角度来看，本文所采用的ITO/p-GaN/ITO结构通过磁控溅射工艺制备，其表面均匀覆盖了ITO薄膜，确保了良好的光传输性能。X射线衍射（XRD）和拉曼光谱分析表明，该结构的晶格结构稳定，且ITO薄膜在光谱范围内对UV光的吸收影响较小，进一步验证了其在UV检测中的适用性。暗电流测试结果表明，该探测器在无光照条件下仅产生极低的电流（4.17 pA），这有助于提高信噪比，从而增强对弱光信号的捕捉能力。

在应用层面，本文提出的风速传感器不仅在风速检测方面表现出色，还具备检测高温粉尘的能力。这一特性使其能够在工业管道中用于监测空气流动和颗粒物浓度，为工业环境中的安全监测提供了新的技术手段。此外，该传感器的便携性和低功耗设计使其在野外环境或移动设备中具有广阔的应用前景。

本研究的成果为GaN基光电探测器的发展提供了新的方向。通过引入AC PV效应，研究人员成功实现了对探测器响应性能的显著提升，同时克服了传统工艺在成本和复杂性方面的限制。此外，将该探测器与磁悬浮结构结合，展示了其在风速传感器中的创新应用，为未来在更广泛的领域中部署高性能光电探测器奠定了基础。这种结合不仅提升了探测器的灵敏度和响应速度，还拓展了其在环境监测、工业检测和航空航天等领域的应用价值。

综上所述，本文的研究成果表明，基于GaN的AC PV效应光电探测器在提升性能和拓展应用方面具有重要潜力。该探测器在室温下表现出卓越的检测能力，且在高温环境下仍能保持稳定运行。同时，其与磁悬浮结构的结合为风速传感器的开发提供了新的解决方案，展示了GaN材料在光电探测领域的多功能性。未来，随着材料工艺的进一步优化和结构设计的创新，这类探测器有望在更多高要求的环境中得到应用，推动UV光电技术的进一步发展。