高质量金刚石助力极窄带深紫外光探测

与传统宽带探测器相比，窄带探测器由于其精确的光谱分辨能力而在各类工业和前沿科学研究领域中具有更重要的应用需求。通常，实现对特定波长的窄带探测有两种方法，第一种是将宽带光电探测器与带通滤波器组合，这是一种简单又有效的方法，但也同时受限于某些波段滤波器的缺失；第二种是通过半导体结构设计制备无滤波的固有窄带光电探测器，这一方法与前者相比降低了探测系统的复杂性，并且保证了良好的探测/成像质量，但也对材料和器件的设计提出了更高的要求。

无滤波器固有窄带光电探测器在各种工业和科学研究领域越来越受欢迎，近年来在可见光和红外范围内取得了成功的应用。然而，深紫外波段的窄带光电探测器仍然鲜有报道，这是光通信、环境监测、光刻和太空探索等领域急需的。作为一种超宽禁带半导体，金刚石具有优异的物理和化学性能，是深紫外光电探测的理想材料。虽然增加样品厚度是电荷收集窄化的常用方法，但它并不适用于金刚石。大多数基于厚金刚石单晶的光电探测器由于金刚石的高迁移率和载流子陷阱效应而表现出宽带响应。因此，调节光谱响应的另一个关键参数—载流子寿命被认为是实现窄带光电探测的关键。对金刚石的光电特性进行详细分析对于实现光电操纵至关重要。

中山大学郑伟课题组在深紫外窄带探测器方面取得重要进展，相关成果以“8-nm narrowband photodetection in diamonds”为题作为封面文章发表在卓越行动计划高起点新刊Opto-Electronic Science （光电科学）2023年。文中所研究的三种不同位错密度的金刚石单晶分别被命名为金刚石 A，B 和C，这三种金刚石的位错密度依次增加。有趣的是，基于金刚石A，B和C的器件的外量子效率（EQE）光谱显示出截然不同的形状，其半高宽（FWHM）分别为8 nm，31 nm和52 nm。基于低位错密度金刚石A的器件的EQE光谱具有极窄带响应，其中心约在228 nm 处。该器件表现出极低的暗电流，高的比探测率（~1013 Jones）和大的线性动态范围（LDR~118 dB）。

图1（a）展示了金刚石A在光电探测过程中主要发生的物理过程，包括光激发、载流子弛豫、辐射复合、电场下的光电导等。图1（b）显示了金刚石A的吸收光谱，证明了金刚石A具有低的密度缺陷态。通过插图中的差分光谱，计算出金刚石A的带隙约为5.486 eV（激子结合能~80 meV）。图1（c）展示了金刚石A在193 nm脉冲激发下的光致发光（PL）光谱，其中观察到超强的自由激子发射，表明在光激发下，激子发射是主要的复合过程。

根据比尔-朗伯定律，图1（d）显示了金刚石A晶体内在光激发下过量载流子产生率的空间分布。三个选定的特征波长分别为228 nm、225 nm和210 nm，相应的EQE如图1（f）所示。通过相关简化计算可以获得在晶体中不同波长激发下的电荷载流子的空间分布（图1（e））。随着激发波长的减小，晶体中载流子浓度逐渐降低，整个浓度的最大值向表面移动。此外，表面附近的强吸收可以导致更强的辐射复合，从而显著提高表面复合速度。由此，可以推导出器件的光电导的表达式。如图1（f）所示，黑线表示所测得的器件的EQE，红线表示根据推导公式计算的EQE（绝对值没有实际意义）。在低吸收系数的区域，光生载流子可以在整个晶体中被激发，在电场下被电极收集。随着波长的减小，逐渐增加的吸收系数导致光响应的显著增加，这种机制在光电探测器中是众所周知的。在达到响应峰值后，随着波长的不断降低，产生的光生载流子将更多地集中在晶体表面，这些载流子主要通过辐射复合过程被湮灭，而不是传输到晶体背面并被电极收集，从而导致短波区的光响应显著下降。

所制备的窄带探测器可用于分辨不同光源的成像。图2（a）显示了222 nm准分子灯的光学照片。图2（b）展示了器件对光源的清晰成像。准分子灯的辐射光谱和器件的EQE如图2（c）所示，具有重叠部分。222 nm辐照已被证明对人体无害，因此能够在体表进行杀菌和放射治疗。低压汞灯的相关研究如图2（d-e）所示，包括光学照片和相应的成像图像。这种低压汞灯的谱线主要包括185 nm、194 nm和254 nm（图2（f）），其中前两种会在空气中产生臭氧，从而危害人体健康，最后一种会对人体皮肤和眼睛造成不可逆的损伤，通常用于室内环境的杀菌消毒。由于这些谱线和EQE之间只有一点重叠，汞灯无法成像。这些结果表明，所制备的窄带探测器能够很好地区分两种紫外线光源。

总而言之，所报道的金刚石A基光电探测器具有目前为止最短的探测波长和最窄的EQE峰，其应用潜力已通过初步成像演示得到证明。未来可通过制作面阵器件和优化器件结构进一步提高该探测器的实用性能。另一方面，金刚石A的窄带响应将其与其他金刚石区分开来，表明金刚石的光谱响应测试是辨别其质量的一种可行方法。

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