在光电探测技术的广阔版图中，紫外（Ultraviolet, UV）光谱区域作为电磁波谱中不可或缺的一环，承载着丰富的物理信息与应用潜力。紫外光子能量高于可见光，具有更强的化学活性与穿透能力，其探测技术不仅为科学研究提供了关键手段，也深刻影响着环境监测、生物医疗、国防安全和空间探测等多个领域。紫外探测器的核心任务，是将不可见的紫外辐射高效转化为可测量的电信号，这一过程涉及光子吸收、载流子激发、输运与信号读出等一系列精密的物理机制。近年来，随着宽禁带半导体材料、二维材料及微纳结构调控技术的突破，紫外探测器正朝着高灵敏度、低噪声、室温工作乃至柔性集成的方向快速发展。深入理解紫外探测器的工作原理、分类体系与核心机理，对于推动其在多场景下的适配与升级具有重要意义。本文将系统梳理紫外探测器的基本概念、主要类别及关键微观机制，展现其技术演进脉络与未来发展趋势。

紫外探测器发展与简介：

人类对紫外辐射的认知可追溯至 19 世纪初。1801 年，德国物理学家约翰・威廉・里特（Johann Wilhelm Ritter）在研究太阳光谱时发现，在紫光之外存在一种不可见光，能够使氯化银迅速变黑，这标志着紫外辐射的首次发现^[1]。此后，紫外探测技术逐步萌芽，早期依赖照相底片或荧光材料进行间接探测，灵敏度低且难以定量分析^[2]。

20 世纪中期以来，随着半导体物理的发展，基于光电效应的紫外探测器开始兴起。真空光电管、光电倍增管（PMT）成为早期主流器件，广泛应用于天文观测与光谱分析^[3]。进入 21 世纪后，固态紫外探测器凭借其体积小、功耗低、响应快、易于集成等优势迅速崛起，尤其是以 GaN、AlN、SiC 为代表的宽禁带半导体材料的成熟，使得高性能、日盲型（solar-blind）紫外探测成为现实^[4]。

自然界中，太阳是主要的紫外辐射源，但地球大气层中的臭氧强烈吸收波长小于 280 nm 的紫外光（即 “日盲区”），使得地面环境中该波段背景噪声极低^[5]。这一特性为日盲紫外探测提供了天然优势 —— 可在强可见光背景下精准识别微弱紫外信号，广泛应用于导弹羽焰监测、电晕放电检测、火焰预警等领域^[6]。

当前，紫外探测器已从单一功能器件向阵列化、智能化、多功能集成方向演进。基于二维材料（如 h-BN、MoS₂）和超表面结构的新型探测器不断涌现，展现出高响应率、超快速度与可调谐响应的潜力，推动紫外探测技术迈向更高性能与更广应用的新阶段^[7]。接下来将以两种典型的探测器为例进行分析。

一、氧化镓（Ga₂O₃）紫外探测器

太阳发出的紫外线按波长可分为四类：长波紫外线（UVA，320–400 nm）、中波紫外线（UVB，280–320 nm）、短波紫外线（UVC，100–280 nm）和极紫外光（EUV，10–120 nm）^[8]。其中，200–280 nm波段的紫外线在地球表面强度极低，因几乎被大气层完全吸收，故该区域被称为“日盲区”^[9]。日盲光电探测器能将日盲光信号转换为电信号。近年来，具备高光敏性和低误报率的新型日盲光电探测器取得了关键突破，已成为研究热点。

由于氧化镓作为超宽禁带半导体（禁带宽度＞3.4 eV），是实现高效日盲光探测的理想材料^[10]。基于氧化镓的自供电日盲光电探测器因其优异的性能成为研究热点。本文聚焦其工作机制与核心性能，为阐明物理本质、优化器件结构提供参考。

  （一）氧化镓（Ga₂O₃）材料特性  

氧化镓是一种新型的宽禁带半导体材料,带隙为4.9eV,对应光吸收边为254nm,具有极高的化学稳定性和热稳定性,是天然的日盲紫外探测材料^[11]。

氧化镓存在六种不同的晶型，分别用α、β、γ、ε、δ和κ表示^[12][13][14]，β-Ga₂O₃是*稳定且在日盲光电探测器中应用*广泛的材料^[15]。如图1所示，是氧化镓材料的常见结构：

图1 氧化镓多种晶型的晶体结构（镓原子为绿色，氧原子为红色）^[10]

  （二）氧化镓紫外探测器主要结构类型  

不同类型的氧化镓日盲紫外探测器在制备成本及应用环境方面有显著区别，对应的器件性能也存在明显差异。如图2所示，近年来报道的氧化镓自供电光电探测器可分为异质结型、肖特基结型、相结型和光电化学型（PEC）四类。

图2基于氧化镓的不同类型的自供电太阳能盲光光电探测器^[10]

异质结型

根据量子统计理论，电子占据能级（E）的概率可用统计分布函数描述：

其中，k为玻尔兹曼常数，E_F为费米能级，T为热力学温度。异质结由两种费米能级不同的半导体接触形成。接触后，电子从费米能级较高的一侧向较低一侧扩散，在界面处形成内建电场并引起能带弯曲，直至两侧费米能级对齐。这种结构制备简单，且不受导电类型限制。

肖特基结型

热电子发射理论描述了载流子克服金属-半导体界面势垒的传输过程，界面电流可分别表示为:

其中，I₀为反向饱和电流，A为金属半导体接触面积，A*为有效理查森常数，V为施加在肖特基结器件阳极的偏压，n为理想因子，k为玻尔兹曼常数。

根据理想肖特基-莫特模型，金属（φₘ）与半导体（φₛ）的功函数差决定了接触类型。对于N型氧化镓，若φₘ>φₛ，则形成肖特基接触，势垒高度定义为φB=φₘ-χₛ，其中χₛ为半导体的电子亲和能。理想因子（n）和肖特基势垒高度（φB）是影响肖特基结型器件性能的关键参数。

相结型 

氧化镓存在多种晶型，于是提出设计由两种不同晶型氧化镓构成的自供电日盲光电探测器结构（相结型）。两种不同晶型氧化镓之间较小的晶格失配和相近的禁带宽度，有助于提升氧化镓基光电探测器的性能。由于所有氧化镓晶型均为N型导电，因此其能带结构和载流子传输机制与N-N型异质结基本一致。

光电化学型（PEC）

光电化学光电探测器（以半导体为光阳极），当电解质的氧化还原电势低于半导体费米能级时，界面处会形成空间电荷层和内建电场。在光照下，半导体中的光生空穴迁移至电解质界面，氧化其中的电子给体；同时，光生电子则通过半导体和透明导电氧化物（TCO）电极流入外电路。被氧化的物种扩散至对电极，在该处被电子还原，从而完成整个电化学循环与电路闭环^[10]。工作过程如图3所示：

图3 PEC型光电探测器的能带图及工作机理^[10]

工作机制与性能特性 

MSM（金属-半导体-金属）结构由于制备工艺简便而被广泛应用，以Al纳米等离子体增强的MSM结构α－Ga₂O₃日盲紫外探测器为例，该探测器的核心工作机制建立于表面等离子体共振与半导体光电导效应的协同增强原理之上。

首先，当入射日盲紫外光照射至周期性排布的铝纳米颗粒阵列时，其自由电子在紫外光子激发下发生集体相干振荡，形成局域表面等离子体共振，在纳米颗粒间隙及近场区域产生极强的局域电磁场增强效应，这种亚波长尺度下的光学模式调控有效突破了传统MSM结构中金属电极遮光导致的几何光学限制。

接着，增强电场穿透至下方的α－Ga₂O₃吸收层（禁带宽度～5.3 eV）后，通过等离子体-激子耦合作用大幅提升紫外光子的有效吸收截面，促使价带电子以更高概率跃迁至导带，并在共振电场梯度驱动下形成空间非均匀的高浓度载流子分布。

然后，在外加偏置电压作用下，MSM电极间形成的横向电场使这些光生电子-空穴对发生空间分离：电子沿电场方向向正极漂移，空穴向负极迁移，其中由于α－Ga₂O₃具有极高的空穴有效质量，载流子输运主要依赖电子传导机制。等离子体增强效应不仅通过热电子注入和近场能量转移两种量子通道提升载流子生成率，更通过共振频率与半导体吸收谱的精准匹配实现光谱选择性增强。

*终，通过优化铝纳米颗粒的尺寸、形貌与排布周期，可使器件在保持MSM结构固有高速响应特性（皮秒级载流子渡越时间）的同时，将光电响应度提升1-3个数量级，其物理本质在于将纳米光子学中的等离激元聚焦效应与宽禁带半导体的本征光电转换过程在量子效率与时空维度上实现深度耦合。

下图4给出了该氧化镓探测器的结构特性及工作性能。图4(a)中插图给出了器件结构示意图。当器件电极间距逐渐减小时，光谱响应度逐渐增大，且*大响应度为3.36A/W，响应波长主要集中在日盲区［图4(b)］。此外，器件暗电流极低（1pA），光暗电流比较高（10⁵），器件的光电流同样随电极间距的减小而增大［图4(c)］，具有较好的日盲光电特性^[16]。

图4 Ga₂O₃的结构特性及其器件性能^[16][17] (a)生长在蓝宝石衬底上的α－Ga₂O₃ XRD谱，插图为器件示意图 (b)器件在５V偏压下的光谱响应 (c)器件在黑暗（黑线）及光照下的I-V特性

综上，作为新兴的超宽带隙半导体之一，氧化镓表现出优于其他宽带隙半导体的独特优势，尤其是在开发高性能日盲光电探测器方面^[18]。随着材料改性、工艺优化与应用拓展的持续推进，有望在军事、民用等多个领域实现广泛应用，成为日盲紫外探测技术的核心发展方向。

二、钙钛矿紫外探测器

传统日盲紫外探测依赖氧化镓、氮化镓等超宽禁带半导体，虽性能优异但存在制备工艺复杂、成本偏高、柔性集成难度大等问题^[19]。钙钛矿材料作为新一代光电功能材料，通过组分与维度调控可实现禁带宽度的精准调节，*高可达 3.4 eV 以上，完美匹配日盲紫外波段探测需求，同时兼具超高光吸收系数、优异载流子传输特性及低温溶液法制备的独特优势^[20]。基于钙钛矿的自供电日盲紫外探测器更是凭借低功耗、结构灵活、可柔性集成等特性成为研究前沿。本文聚焦钙钛矿紫外探测器的材料特性、器件结构类型、核心工作机制与性能特性，为该类器件的结构优化与性能提升提供参考。

（一）钙钛矿材料特性

钙钛矿材料通常指化学式为 ABX₃的一类化合物，在紫外探测领域应用*广泛的为卤族钙钛矿，其中 A 位为一价阳离子，涵盖有机阳离子（甲铵离子 MA⁺、甲脒离子 FA⁺）与无机阳离子（Cs⁺、Rb⁺）；B 位为二价金属阳离子，以 Pb²⁺、Sn²⁺为主；X 位为一价卤素阴离子，包括 Cl⁻、Br⁻、I⁻^[20]。该类材料的核心特性为禁带宽度连续可调，是适配紫外全波段尤其是日盲波段探测的关键优势：通过调控 Cl⁻/Br⁻/I⁻的卤素比例，可实现禁带宽度 1.5–3.2 eV 的调节；结合低维化改性（二维、一维、零维）与阳离子掺杂，禁带宽度可进一步提升至 3.4 eV 以上，对应光吸收边蓝移至 200–280 nm 的日盲区域，成为天然的日盲紫外探测材料^[21]。

钙钛矿材料还具备一系列适配光电探测的优异特性：作为直接带隙半导体，其在紫外波段的光吸收系数高达 10⁵–10⁶ cm⁻¹，远高于氧化镓、氮化镓等传统宽禁带半导体，仅需数十至数百纳米厚的薄膜即可实现紫外光的近乎完全吸收^[20]；载流子迁移率可达 1–100 cm²V⁻¹s⁻¹、寿命长达 10 ns–1 μs，扩散长度可达 0.1–8 μm，能有效减少载流子传输过程中的复合损失^[22]；同时可通过溶液旋涂、喷墨打印、刮涂等低温工艺（＜150℃）制备，兼容柔性基底，为低成本、柔性化紫外探测器的研发奠定基础^[21]。

钙钛矿材料的结构灵活性同样为性能优化提供了丰富空间，三维钙钛矿（如 CsPbCl₃）具有优异的载流子传输特性，二维钙钛矿（如 (PEA)₂PbCl₄）则因量子限域效应提升禁带宽度，并通过层状结构实现表面缺陷钝化，有效降低器件暗电流^[23]。其中全无机钙钛矿 CsPbX₃因消除了有机阳离子的热不稳定性与水氧敏感性，具备更优异的化学稳定性和热稳定性，成为钙钛矿日盲紫外探测器的核心材料体系^[21]。

（二）钙钛矿探测器主要结构类型

基于钙钛矿的自供电紫外探测器凭借无外部偏压、低功耗的优势，成为实际应用的主流方向，根据器件结构与载流子传输机制，钙钛矿光电探测器可分为三种类型：光导体型、光电二极管型和光电晶体管型。

（1）光导体型：极简架构的光电导效应基元

光导体型是钙钛矿光电探测器的基础类型，直接依托材料本征光电导效应实现光—电转换，无复杂调控与结结构，是柔性、大面积、低成本探测场景的核心选择^[24]。

采用衬底 - 钙钛矿光敏层 - 金属电极三层极简架构，无真空镀膜要求，层间匹配限制低。衬底可灵活选用刚性 / 柔性基底，光敏层按探测波段适配钙钛矿组分（紫外探测选 CsPbCl₃、二维层状钙钛矿）^[25]，金属电极以叉指型为*优，*大化光吸收面积、缩短载流子传输路径^[24]。

图5 钙钛矿光导体结构图^[26]

其核心工作机制为光致载流子浓度突变引发的导电性反转，无主动载流子分离机制。暗态下钙钛矿本征载流子极少，器件呈高阻；光照后光子激发产生大量光生电子 - 空穴对，器件电阻率骤降、导电性增强；在外加横向偏置电压驱动下，载流子向两极漂移形成光电流，断光后载流子复合，器件恢复高阻态，性能高度依赖材料本身的载流子寿命与迁移率^[24]。

（2）光电二极管型：内建电场驱动的高效自供电探测

光电二极管型是目前钙钛矿光电探测器的研究主流与应用核心，依托结结构形成的内建电场实现载流子高效分离，从设计上解决了光导体型的核心短板，是高精度、低功耗探测的*优解^[25]。

图6 (a) p-i-n型光电二极管和 (b) p-i-n型钙钛矿光电二极管的结构图^[26]

以结结构为核心，典型架构为衬底 - 底电极 - 电荷传输层 - 钙钛矿光敏层 - 顶电极，分 PN 结、异质结、肖特基结三类，其中异质结型应用*广^[24]。异质结型由钙钛矿与 N/P 型半导体复合，无需改性钙钛矿导电类型；肖特基结型省去电荷传输层，由 N 型钙钛矿与高功函数金属直接接触形成^[27]，器件核心要求为层间界面精准匹配，界面缺陷是性能损耗的主要原因^[25]。

其工作机制核心为内建电场主导的光生载流子高效、定向分离，实现无偏压自供电工作^[24]。结两侧材料因费米能级差异，接触后形成空间电荷区与内建电场；光照产生的光生载流子扩散至空间电荷区后，在内建电场强驱动下快速分离，电子 / 空穴分别向 N 型侧 / P 型侧定向传输，经电荷传输层 / 电极收集形成稳定光电流，肖特基结还可通过势垒进一步抑制反向暗电流^[27]。

它的综合性能*优，核心优势为自供电、功耗极低，适配便携式、无线传感等无外接电源场景^[24]；暗电流极低（pA~fA 级）、光暗电流比高（10⁵~10⁷），抗干扰能力强；载流子传输效率高，响应速度快（纳秒～皮秒级），适合高速光信号探测^[25]；电荷传输层还能隔离水氧，提升器件长期稳定性^[27]。唯一短板为光响应增益相对较低（响应度 0.1~5 A/W），载流子单次电极渡越无信号放大，但其牺牲换来了核心性能的全面优化，完全满足高精度探测需求^[28]。

（3）光电晶体管型：栅极调控的超高增益超弱光探测

光电晶体管型是钙钛矿光电探测器的高端形态，融合钙钛矿优异光电特性与场效应晶体管栅极调控特性，实现光信号超高增益放大，可捕捉单光子级别超弱光信号，适配天文观测、生物荧光检测等高端精密探测场景^[29]。

图7 钙钛矿光电晶体管结构图^[26]

以场效应晶体管为基础架构，典型为衬底 - 栅极 - 栅介质层 - 源 / 漏极 - 钙钛矿光敏层，分底栅顶接触、顶栅底接触等类型，底栅顶接触型应用*广^[30]。各层要求严苛，栅极实现电场调控，栅介质层选用高介电常数绝缘材料（SiO₂、Al₂O₃），源 / 漏极为微米级间距欧姆接触电极，钙钛矿光敏层多选用纳米线、单晶薄膜等低缺陷结构^[29]，界面平整度直接决定调控性能^[30]。

其工作机制核心为栅极电场调控 + 载流子多次渡越的光增益放大，融合光电导效应与晶体管电流放大效应^[29]。光照产生的光生载流子部分形成界面陷阱电荷，正向栅极电压驱动下，栅介质层产生感应电场，在钙钛矿 / 栅介质层界面形成导电沟道；载流子在源漏极偏置电压驱动下沿沟道漂移，因钙钛矿载流子寿命长，载流子在源漏极间发生多次渡越，一个光生载流子诱导多个导电载流子，实现光电流指数级放大，增益倍数与载流子寿命、迁移率正相关，与源漏极间距负相关^[30]。
 

结语

光导体型、光电二极管型、光电晶体管型钙钛矿光电探测器，分别代表了极简基础、高效主流、高端精密三个技术层级，其结构设计从无结到结结构再到场效应架构，工作机制从单纯光电导效应到内建电场分离再到栅极调控增益放大，性能从单一高增益到综合*优再到超高灵敏度，形成了完整的技术体系^[28]。三者并非相互替代，而是根据应用场景的需求精准匹配，未来随着材料创新、界面优化与工艺升级，三类器件将进一步突破性能瓶颈，在环境监测、生物医疗、国防安全、光通信等领域实现全场景产业化应用^[24][25][30]。

  
（三）总结展望  

综上，钙钛矿材料凭借禁带宽度精准可调、超高光吸收系数、优异载流子传输特性及低温溶液法制备的独特优势，成为传统宽禁带半导体（氧化镓、氮化镓）在紫外探测领域的理想替代材料，尤其在日盲紫外探测方面，通过组分调控与低维化改性，可实现 3.4 eV 以上的超宽禁带，完美匹配 200–280 nm 的日盲波段，基于钙钛矿的自供电紫外探测器更是凭借低功耗、结构灵活、可柔性集成等特性，成为光电探测领域的研究前沿。

当前钙钛矿紫外探测器已实现光导体型、光电二极管型、光电晶体管型等多种结构的研发，器件性能持续突破，但从实验室研究走向实际应用，仍面临若干关键挑战：一是长期稳定性有待提升，钙钛矿材料易受水、氧、紫外光照射影响，出现结晶度下降、组分偏析等问题，导致器件性能衰减；二是日盲探测的选择性与性能仍需优化，部分钙钛矿材料的禁带宽度难以稳定提升至 3.4 eV 以上，可见光响应抑制效果不佳；三是大面积成膜质量不均，溶液法制备的钙钛矿薄膜易出现晶界、针孔等缺陷，影响器件一致性与重复性。

未来，钙钛矿紫外探测器的研发将围绕高稳定性、高选择性、高性能、低成本的核心方向展开：通过开发无铅钙钛矿（如 Sn 基、Bi 基）、双钙钛矿（如 Cs₂AgBiBr₆）及新型封装技术，解决铅污染与稳定性问题；通过精准的组分调控、维度设计与异质结构筑，进一步提升禁带宽度与日盲探测选择性；通过优化喷墨打印、丝网印刷等产业化制备工艺，实现钙钛矿薄膜的大面积、高质量成膜。同时，推动钙钛矿紫外探测器与物联网、柔性电子、可穿戴设备的深度融合，开发便携式、无线传输的探测系统，有望在国防安全、环境监测、生物医疗、工业检测等领域实现广泛应用，成为日盲紫外探测技术的核心发展方向之一。

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赵洋，博士，副教授，河南科技大学教学标兵，光电系副主任。

学习与工作经历：

2006-2010 吉林大学电子科学与工程学院，电子信息工程专业，学士；2010-2012吉林大学电子科学与工程学院，集成电路工程专业，硕士；2012-2013 中兴通讯上海股份有限公司，工程师；2013-2016吉林大学电子科学与工程学院，微电子学与固体电子学专业，博士；2016年8月到河南科技大学物理工程学院参加工作。

教学工作：

获得河南省高等教育教学成果二等奖，河南省线上教学优秀课程一等奖，主持河南省首批专创融合特色示范课程，参与河南省教学改革研究与实践重点项目等；指导学生获“挑战杯”竞赛国家二等奖，“互联网+”竞赛省级一等奖，“创青春”竞赛省级金奖等。

科研工作：

近年来在Ceramics International，Journal of Luminescence等SCI期刊发表文章20余篇，获得河南省自然科学优秀论文一等奖，主持河南省科技攻关项目、河南省高等学校重点科研项目等，出版学术专著1部，授权**2项。