由黃河科技學院的研究團隊在學術期刊 Journal of Alloys and Compounds 發布了一篇名為 Towards solar-blind ultraviolet signal visualization of photodetection and electroluminescenc integrated devices through Er doping（通過鉺摻雜實現光電探測和電致發光集成器件的日盲紫外信號可視化）的文章。

一、 項目支持

本研究得到鄭州市基礎研究和應用基礎研究專項資金項目（ZZSZX202402）、河南省高?？萍紕撔氯瞬庞媱潱?4HASTIT002）以及黃河科技學院博士創業基金（0203240058）的資助。

二、 背景

日盲深紫外（DUV）光電探測器在火焰預警、安全通信等領域具有重要應用價值。β-氧化鎵（β-Ga₂O₃）是制造此類探測器的理想材料，因為它具有超寬禁帶，能實現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 信號的直接監測既困難又不安全。因此，開發一種能夠將不可見的 DUV 信號可視化的智能器件，具有重大的實際應用意義。稀土元素摻雜是一種實現光子上下轉換的有效手段，Er³? 離子可以在電激發下發出特征性的綠色和紅色可見光。

三、 主要內容

基于 Ga₂O₃ 的日盲紫外光探測器在火焰與電弧檢測領域具有重要應用潛力，但其器件性能受限于晶體質量差與暗電流高的問題。同時，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化策略，不僅能提升探測器光響應性能，還能賦予其電致發光功能。本文提出有機前驅體分解合成策略制備 Er 摻雜 Ga₂O₃ 薄膜，構建 Ga₂O₃:Er/SiO₂/p-Si 異質結器件。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，器件分別達到響應度∼5.25?×?10³ mA?W⁻¹、檢出率 ∼3.67?×?10¹⁴ Jones 及響應時間 ∼50 μs。器件在高反向電壓下呈現的 Er 相關電致發光現象，可歸因于齊納隧道主導的電輸運行為所誘導的熱電子效應。此類集光電檢測與電致發光功能于一體的器件，實現了光-電-光信號轉換及紫外信號可視化。本研究對開發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

• 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 光照射下達到約 3.67×10¹⁴ Jones 的探測靈敏度。

• 同構器件在反向電壓下展現出稀土離子的特征電致發光性能。

• 集成器件實現光-電-光信號轉換，并可視化紫外信號。

五、 總結

本文報道已開發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，用于構建 Ga₂O₃ 相關光電子器件。Er 摻雜可提升 Ga₂O₃ 的晶體質量、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性能。在 254 nm 光照射下、-1 V 電壓條件下，所制備器件的響應度 R、比探測率 D* 及響應時間分別為 ~5.25 × 10³ mA W⁻¹、~3.67 × 10¹⁴ Jones 和 ~50 μs。同時，該器件在高反向電壓下展現出稀土相關電致發光行為，這可歸因于熱電子主導的電學傳輸行為中，稀土離子通過熱電子碰撞激發產生的發光效應。此外，器件的稀土相關電致發光行為會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現光-電-光信號轉換。本工作為高性能日盲紫外探測器開發、光響應與電致發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 薄膜的典型相機照片。PVA-Ga-Er 復合薄膜的橫截面光學圖像（上圖）、Ga₂O₃:Er 薄膜的光學圖像（中圖）以及對應的原子力顯微鏡圖像（下圖），分別對應前驅體溶液體積為 (c) 5 mL、(d) 10 mL、 (e) 15 mL，(f) 20 mL 時分別獲得的典型相機照片。(g) 不同厚度 Ga₂O₃:Er 薄膜的厚度曲線，(h) δ_G 與 δ_P 的依賴關系。(i) RGB 色彩模型中 R 通道的色彩-厚度關系。

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 摻雜濃度下異質結的能帶特征。

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 納米材料的高角環形暗場圖像及不同元素分布。

圖4. (a) 多層異質結器件結構示意圖。(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坐標系下的暗場 I-V 曲線。(d) 不同器件在 -1 V 電壓下，交替切換 254nm@1.55μW/cm² 光源時的光電流-時間曲線。(e) 摻雜濃度為 3mol%Er 的器件在不同 254nm 功率密度下的光電流-時間曲線，(f) I_ph-P 的數值依賴關系。(g) 器件精確響應時間。(h) 受光照條件下異質結的電荷轉移機制。(i) 器件溫度分布的紅外熱成像圖及 (j) 不同溫度下的對應 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 摻雜器件的電致發光光譜，其中插圖為暗場數碼相機圖像。(d) Er³⁺、Eu³⁺ 和 Tm³⁺ 離子的能級結構。(e) 不同稀土摻雜器件的暗場相機圖像，呈現設計好的“H”、‘S’、“T”和“C”圖案。(f) 局部電致發光光譜對器件電流的依賴關系，以及 I_EL@550nm 與電流 I 之間的關聯。(g) 高反向電壓下的 I-V 曲線。(h) 電致發光與光致發光特性中 550 nm 波長強度衰減曲線（其中光致發光特性曲線采用 532 nm 激光激發獲得）。

圖6. (a) 器件在反向電壓下的可能電致發光機制。(b) 實現紫外光可視化及不同波段信號轉換的對應示意圖。(c) 器件在 -18 V 電壓下經 254 nm 光反復照射時 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 的變異規律，(e) I_EL@550nm 與光功率密度 (P) 的數值關聯關系。(f) 實現電子設備電弧可視化監測與實時反饋的對應原理示意圖。器件在反向偏壓下的暗場相機圖像：(g) 無電弧信號時與 (h) 有電弧信號時。(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

本文轉發自《亞洲氧化鎵聯盟》訂閱號