基于GaNQDs/GaN同质结的、具有热光电子增强功能的自供电宽带紫外光电探测器，适用于深紫外成像应用

《Materials Today Physics》：Pyro-phototronic-enhanced self-powered broadband UV photodetector based on GaNQDs/GaN homojunction for deep-UV imaging applications

紫外光电探测器设计；GaN量子点；自供电机制；热电光伏耦合效应；高响应度；特定探测度；温度稳定性；弱光成像；宽带紫外探测；异质结结构

　　宽带紫外光探测器（BUVPD）在环境监测、安全防护和先进成像等多个领域展现出广泛的应用前景。这类探测器以其紧凑的结构、高速响应和多功能性受到关注，能够覆盖从深紫外（DUV）到近紫外（NUV）的宽光谱范围。本研究提出了一种基于氮化镓（GaN）量子点与外延GaN同质结的自供电BUVPD，其性能表现出色，具有高响应度、高探测率和快速响应时间。这一创新设计不仅突破了传统材料在紫外光探测方面的限制，也为未来高灵敏度深紫外成像技术的发展奠定了基础。

紫外光探测器在民用和军事领域均扮演着重要角色。在民用方面，它们被用于光学通信、图像处理、神经形态计算和环境监测等场景。而在军事领域，紫外光探测器则广泛应用于军事监视、夜视设备和高能激光探测等任务。随着科技的进步，对紫外光探测器的要求也不断提高，尤其是在环境复杂、信号微弱或工作条件极端的情况下，探测器需要具备更高的灵敏度、更快的响应速度以及更宽的光谱响应范围。因此，研究和开发高性能的紫外光探测器成为当前光电子学领域的重要课题之一。

自供电紫外光探测器因其无需外部偏压即可工作，成为近年来备受关注的研究方向。这类探测器可以分为光伏型和热型两种。光伏型探测器利用p-n结内部的电势差，将紫外光子直接转化为电信号，具有高灵敏度、快速响应和持续工作的优点。然而，其性能往往受到材料固有特性的限制，例如能带宽度限制了光谱响应范围，而界面复合损失则降低了整体效率。相比之下，热型探测器依赖于热电效应，即紫外光照射引起的温度变化会引发瞬时电压信号。这类探测器结构简单、无需偏压，适合脉冲或调制紫外光的检测。但其灵敏度较低，且主要适用于动态信号的探测，难以满足对弱光信号或宽波段响应的需求。

为了克服传统自供电探测器的局限性，近年来研究人员开始探索结合光伏效应与热效应的新策略，即利用“热-光耦合效应”（pyro-phototronic effect, PPE）。该效应是指在非中心对称材料中，光照引起的温度梯度会生成一个热电势，从而调制载流子的迁移过程。这种效应不仅能够提升探测器的响应度和探测率，还能缩短响应时间，同时实现无偏压工作，降低能耗并提高在复杂环境下的稳定性。例如，二维铁电钙钛矿、Si/SnOx/ZnO异质结以及基于BaTiO3的结构等材料体系均通过PPE效应实现了性能的显著提升。

尽管PPE效应为紫外光探测器的发展带来了新的机遇，但传统铁电材料仍存在一些固有缺陷，如导电性差、紫外吸收能力有限以及光子到电荷的转换效率不高。此外，其能带结构也限制了宽波段紫外光的检测能力。为了解决这些问题，第三代宽禁带半导体材料（WBGs）逐渐成为研究热点。这类材料具有优异的热稳定性和较高的热电系数，例如GaN的热电系数可达10^4 V/m·K，远超传统的高温铁电材料如LiTaO3。这使得GaN在极端环境下的应用潜力巨大。然而，GaN的固有禁带宽度约为3.4 eV，导致其只能响应波长较短的深紫外光，而无法有效覆盖近紫外波段。因此，如何扩展GaN的光谱响应范围，成为提升其紫外光探测性能的关键挑战之一。

针对这一问题，近年来的研究在有机-无机混合材料和低维半导体材料方面取得了显著进展。这些材料通过量子限域效应，具有离散的能级结构、可调的能带宽度以及可设计的表面电子结构，从而赋予其独特的光电特性。例如，通过界面载流子阻挡工程、缺陷工程和能带对齐工程等策略，研究人员成功提升了自供电宽波段光探测器的性能。此外，这些材料还具备与CMOS工艺兼容的优势，使得它们在光电子集成方面展现出巨大潜力。尤其是宽禁带量子点（WBG QDs）的研究，进一步揭示了其在克服体材料局限性方面的独特优势。

在本研究中，我们设计并制备了一种基于GaN量子点（GaNQDs）与外延GaN同质结的自供电宽波段紫外光探测器。该探测器通过溶液工艺实现，结构包括生长在蓝宝石基底上的外延GaN层、一层胶体GaN量子点薄膜以及表面图案化的电极。该结构不仅实现了对深紫外和近紫外光的宽波段响应，还通过PPE效应实现了光伏效应与热效应的协同作用，从而显著提升了探测性能。实验结果表明，在254 nm紫外光照射下，该探测器在无偏压条件下表现出高达149 mA/W的响应度、4.5 × 10^11 Jones的特定探测率以及10 ms的快速响应时间。这些性能指标远超传统自供电紫外光探测器，显示出其在高灵敏度和高效率方面的优势。

此外，该探测器在极端温度条件下的表现也十分稳定。其暗电流在83 K至373 K的温度范围内始终保持在皮安（pA）量级，说明其在低温和高温环境下均具备良好的工作性能。在373 K（约100°C）的高温条件下，响应度仅略有下降，表明该探测器具有出色的热稳定性。这一特性使其在需要耐受极端环境的应用场景中具备独特优势，例如高温环境下的监测、航天器的紫外光检测以及工业设备的故障诊断等。

在弱光条件下，该探测器同样表现出色。通过与透射模式深紫外成像系统相结合，该设备成功实现了高分辨率的紫外光成像。这一能力在环境光较弱或目标信号微弱的情况下尤为重要，例如在夜间或低光照条件下进行紫外成像，或者在需要高灵敏度检测的科学研究中。透射模式成像系统能够有效捕捉深紫外波段的光信号，为相关领域的研究提供了新的工具。

本研究的创新点在于通过GaN量子点与外延GaN的同质结结构，实现了对深紫外和近紫外光的宽波段响应。这一结构不仅继承了GaN的优良热稳定性和热电特性，还通过量子点的引入，扩展了其光谱响应范围。量子点的引入使得能带结构发生改变，从而增强了对近紫外光的吸收能力。同时，量子点与体材料之间的协同作用，进一步优化了载流子的生成和收集效率，提升了探测器的整体性能。

从实际应用角度来看，这种自供电宽波段紫外光探测器具有广阔的发展前景。在民用领域，它可以用于环境监测、空气质量检测、生物医学成像以及光学通信等场景。而在军事领域，其高灵敏度和宽波段响应能力使其在军事监视、夜视系统、激光武器防护等方面具有重要价值。此外，该探测器的低功耗和高稳定性也使其在便携式设备和无线传感系统中具备应用潜力。

为了实现这一目标，研究人员采用了多种策略。首先，通过精确控制GaN量子点的合成工艺，确保其尺寸、形貌和表面性质符合设计需求。其次，在器件结构设计上，采用了同质结的构型，以优化载流子的迁移路径并减少复合损失。此外，通过表面图案化电极的设计，进一步提升了探测器的灵敏度和响应速度。这些设计策略共同作用，使得该探测器在性能上实现了突破。

在实验验证方面，该探测器的性能通过一系列测试得以确认。其中包括响应度、探测率、响应时间等关键指标的测量。测试结果表明，该探测器在254 nm紫外光照射下，响应度达到149 mA/W，这是目前报道的自供电宽波段紫外光探测器中最高的数值之一。同时，其探测率高达4.5 × 10^11 Jones，表明其在弱光条件下的检测能力非常强。响应时间仅为10 ms，显示出该探测器具备快速响应的特性，适用于动态信号的检测。

温度稳定性测试进一步验证了该探测器在极端环境下的适用性。在83 K至373 K的温度范围内，暗电流始终保持在皮安量级，说明其在低温和高温条件下均能够稳定工作。在373 K的高温环境下，响应度仅略有下降，表明该探测器在高温条件下仍能保持较高的检测能力。这一特性使其在高温工作环境下的应用成为可能，例如在工业高温设备的监测、高温环境下的军事侦察以及航天器的紫外光检测等领域。

除了性能优势，该探测器的制造工艺也值得关注。采用溶液工艺进行GaN量子点的合成和器件的制备，不仅降低了生产成本，还提高了工艺的可扩展性。这使得该探测器具备大规模生产的潜力，为未来的商业化应用提供了可能。此外，该探测器的结构设计也使其能够与其他光电子器件兼容，为实现光电子集成提供了基础。

从长远来看，这一研究为高灵敏度深紫外成像技术的发展开辟了新的路径。通过结合光伏效应与热效应，该探测器不仅提升了检测性能，还拓展了其应用范围。未来的研究可以进一步优化量子点的尺寸和分布，以提升其对不同波长紫外光的响应能力。同时，探索更高效的载流子收集机制，以及开发更稳定的器件结构，也将是提升探测器性能的重要方向。

综上所述，本研究成功开发了一种基于GaN量子点与外延GaN同质结的自供电宽波段紫外光探测器。该探测器通过PPE效应实现了对深紫外和近紫外光的宽谱响应，具有高响应度、高探测率和快速响应时间等优异性能。其在极端温度条件下的稳定性以及弱光成像能力，进一步拓展了其应用前景。这项研究不仅为宽波段紫外光探测器的设计提供了新的思路，也为未来高灵敏度深紫外成像技术的发展奠定了坚实基础。