近日，吉林大学超硬材料国家重点实验室殷红教授团队与大连理工大学集成电路学院梁红伟教授团队合作在超宽带隙半导体六方氮化硼（h-BN）外延生长技术和极端条件紫外光电探测器研制方面取得重要进展，发展了一种蓝宝石衬底上2英寸h-BN的共价纵向外延新技术，研制的真空紫外（VUV）光电探测器，在高温、高湿等极端条件下实现了长期稳定的高性能探测。该工作为大面积h-BN异质外延提供了新型生长策略，对极端环境下的高性能光电器件应用具有重要意义。研究成果以“Covalent Heteroepitaxy of Large-Area Vertical Hexagonal Boron Nitride for High-Temperature VUV Photodetectors”为题发表在国际学术期刊《LASER & PHOTONICS REVIEWS》上。

真空紫外（VUV）探测因其在保密通讯、空间观测、环境监测、导弹追踪、石油勘探、电子工业等众多前沿应用领域都有极为重要的作用，近年来备受瞩目。绝大多数VUV探测场景通常伴随着高温、强辐照、高湿等极端环境，这对探测器的探测指标和长期稳定性提出了更高的要求。因此，开发高稳健、高性能探测材料，是推动极端条件光电探测技术突破的关键。

超宽带隙半导体材料h-BN（带隙约为6.0 eV）因其本征日盲光吸收、高带边吸收、高介电强度、高热导率、优异的热和化学稳定性等优势，在极端环境VUV探测领域受到广泛关注。此外，h-BN沿范德华面内和面间的载流子迁移率和热导率具有显著的各向异性，也为器件结构设计提供了载流子高效收集的思路。与常规二维h-BN与金属衬底的结合力为范德华力不同，研究团队发展出一种直接与衬底形成强化学键h-BN异质外延技术，通过施加高荷能离子轰击，克服B和N原子按AA’堆垛生长能量优势，在蓝宝石衬底上首次实现了2英寸大面积、厚度可控的垂直结构的共价纵向异质外延薄膜，阐明了外延机理。与常规二维h-BN材料相比，这种共价外延具备薄膜与衬底结合力强、载流子输运均匀，耐恶劣环境好等优势，研制的平面MSM型探测器对185nm VUV光表现出高达11.06mA/W的响应度。相比迄今报道的VUV/UV-C探测器件，器件的响应速度提高几个数量级，衰减时间仅为60μs。

图一 两英寸共价异质外延h-BN材料、器件及光电探测性能

图二 共价纵向异质外延hBN基VUV光电探测器在极端条件下的光电探测性能

此外，借助共价异质外延h-BN的稳健性的显著优点，探测器在经历6个月长时间储存、10000秒长期辐照、高湿、高温的极端环境下表现出了稳定且持续响应的高稳健性特点。器件在500℃下表现出超越室温下的光响应值（13.04mA/W），所能承受的使用温度显著高于已知报道的宽禁带半导体基高温光电探测器，展示了基于共价异质外延h-BN的传感器和电子设备在实时和极端恶劣环境条件下稳定工作的潜力。这项工作为大面积、高质量、厚度可控的h-BN薄膜提供了新型生长策略，在高集成结构设计、高稳健器件性能等方面的优势，有望推动电子、光电器件、探测器、极端条件器件应用等技术领域的突破。

该论文的第一作者为吉林大学物理学院博士研究生陈乐，通讯作者为吉林大学殷红教授与大连理工大学梁红伟教授。该项工作得到了国家自然科学基金、吉林省自然科学基金等相关项目资助，并得到吉林大学超硬材料国家重点实验室、大连市宽禁带半导体器件集成与系统重点实验室等平台的支持。

论文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/lpor.202400304

《Laser & Photonics Reviews》简介

出版商：Wiley-VCH Verlag

影响因子：9.8

学术声誉：以其发表的高质量综述文章、原创研究论文和观点而闻名，是光子学和激光物理领域内公认的权威期刊之一。

官方网站：

https://onlinelibrary.wiley.com/journal/18638899