PDs新视野 2025年12月24日 09:00 广东
紫外光电探测器在环境监测、军事侦察、空间探测等领域具有广泛应用价值，但传统器件通常需要外接电源，不仅增加了系统复杂性，也限制了其在特殊环境下的长期稳定性。钻石因其超宽带隙、高热导率、强抗辐射性和优异的化学稳定性，被视为深紫外探测的理想材料。然而，钻石的n型掺杂极为困难，现有自供能钻石紫外探测器多依赖于异质结结构，这容易引入晶格失配和界面缺陷，导致器件性能下降、制备工艺复杂。同质结因其材料一致性高、界面缺陷少、工艺简单而更具潜力，但如何在钻石中构建有效的同质结一直是一个技术瓶颈。本研究通过高压力高温合成方法，创新性地利用硼浓度梯度在钻石内构建p⁺/p⁻同质结，为实现高性能、自供能的紫外光电探测器提供了全新的材料与器件设计思路。
2025年8月15日，郑州大学杨西贵、单崇新团队在《ACS Photonics》上发表了题为“High-Performance Self-Powered UV Photodetectors Enabled by Diamond Homojunctions”的研究论文。该团队针对钻石n型掺杂难、异质结界面问题突出的挑战，采用高压力高温方法合成了硼掺杂钻石，并通过调控硼浓度梯度在不同晶区之间形成p⁺/p⁻同质结，成功研制出自供能日盲紫外光电探测器。该器件在225 nm波长下表现出3.5 mA/W的高响应度、16μs/2.2 ms的快速响应时间、1.13×10¹² Jones的高探测率以及约10⁵的开/关比，性能优于多数已报道的自供能钻石紫外探测器，并在单像素成像系统中实现了高对比度图像采集。该研究为钻石基紫外探测器的设计与集成提供了重要的材料与器件基础。
图1：硼掺杂钻石单晶的合成与表征示意图，包括前驱体处理流程、样品光学图像、拉曼光谱、紫外-可见吸收光谱、光致发光谱和XPS谱图。
图2：BDD-3样品中硼浓度梯度的表征，包括截面光学图像、红外与拉曼光谱对比、边界显微图像、拉曼Mapping及SIMS硼浓度分布图。
图3：BDD同质结器件的结构与光电性能，包括器件示意图、I-V特性曲线、Ti/Au接触的欧姆行为及UPS能带对齐图。
图4：BDD同质结紫外光电探测器的光电探测性能，包括暗态与光照下I-V曲线、光电流响应、响应度与探测率随光强变化、响应时间及长期稳定性测试。
图5：基于BDD自供能探测器的单像素成像系统示意图及其对不同物体成像的光暗对比图像。
本研究的核心难点在于钻石中有效n型掺杂的长期缺失，导致传统p-n同质结难以实现，而异质结又面临界面缺陷和晶格失配问题。团队通过创新性地在钻石中构建硼浓度梯度，形成了p⁺/p⁻同质结，既避免了n型掺杂的困难，又利用了浓度差引起的能带弯曲和内建电场，实现了自供能光电转换。这一设计的创新点在于将掺杂梯度与晶体生长区相结合，利用钻石各向异性的杂质捕获特性，在单一材料体系内实现了有效的载流子分离与输运，突破了传统异质结的局限。此外，器件在零偏压下仍具备高响应速度、高探测率及良好稳定性，展现出在日盲紫外成像与传感系统中的实际应用潜力，为下一代高性能、集成化紫外光电探测器的发展提供了新的材料与结构范式。
原文链接：
https://doi.org/10.1021/acsphotonics.5c01256
