紫外探测器广泛应用于紫外通讯、导弹预警、天文观测、火灾预警等领域，具有重要战略意义与市场前景。金刚石具有高电阻率，由本征金刚石制成的探测器即使在高温下也显示出极低的暗电流，这使得金刚石光电导器件在科学研究中受到广泛研究。然而，这些探测器通常在高电压下工作。自供电探测器具有节能、环境适应性强等优点，具有良好的应用前景。因此，研究金刚石太阳盲紫外探测器的零偏特性非常重要。目前，已经有金刚石肖特基二极管与pn二极管用于紫外探测器的文献报道[1-7]。限制于pn结的质量，基于此结构的探测器的暗电流较高与且电极面积小。本文研究了垂直型的金刚石肖特基器件在日盲紫外光照下的光响应。垂直结构的欧姆电极位于晶体底部，相比于准垂直型或者平面型肖特基器件，可以提高晶体利用率，增大光敏面积。钌是一种具有高熔点（2555K）和良好化学稳定性的贵金属，与金刚石具有良好的粘附力，这意味着它适用于恶劣环境中的器件。因此，使用Ru作为肖特基金属是太阳日盲紫外探测器的良好选择。在本研究中，以钌作为入射窗口金属，制备并表征了基于高质量氧终端垂直金刚石肖特基二极管的自供电金刚石紫外探测器。探测器具有较大光敏面积，且在0V时获得了低的暗电流与高的比探测率。
研究内容
图1 探测器结构示意图，暗电流曲线及热电子模型提取
图1（A）中展示了金刚石自供电紫外探测器结构图。为了在整个光敏区域上形成稳定的肖特基结，在探测器入射窗口中沉积厚度为5 nm的半透明Ru层。探测器结构如图1（A）所示。探测器Semi的肖特基电极由半透明的Ru层、厚的Ru边缘和电极边缘组成，而探测器Mesh的肖特基极在感光区域具有特别厚的Ru肋。两种检测器基于相同的金刚石衬底。Semi感光面积正方形的边长为1 mm，因此面积为1 mm2，Mesh感光面积为0.74 mm2。图1（B）显示了探测器Semi和Mesh在±5V时的整流比分别为1.5×107和5.7×108。高整流比表明金刚石外延层的高质量和二极管的高质量。利用热电子发射模型提取Semi与Mesh的势垒高度分别为1.05与1.22 eV。
图2 Ru/金刚石原子力显微镜图像与电势分布及能带模型
为了进一步研究Ru和金刚石之间的接触信息，使用开尔文探针力显微镜（KPFM）测量了Ru在金刚石表面的电势分布。图2（A）显示了金刚石表面Ru的高度分布（左侧为Ru）。Ru的厚度可以从AFM图像的截面轮廓获得如图2（C）。图2（B）显示了金刚石表面Ru的KPFM图像。电势截图可以从图2（D）中获得。根据测得的参数与材料参数可以绘制得出Ru/氧终端金刚石能带结构图2（F）。可以推断出氧终端金刚石表面有一个1.7 eV的空穴的势垒。
图3 两个器件的光电流、响应度与比探测率曲线
使用1000W氙灯和单色仪产生单色紫外光并测试器件在单色光下的响应。探测器Semi和Mesh的光电流曲线如图3（A）和（B）所示。可以观察到，对于这两个探测器，偏置电压范围为0至3 V时，在短波长（210和220 nm）的紫外线照射下获得了高光电流。对于两个探测器而言，在反向偏置下，光电流比暗电流高104–105倍。在零偏压下，220nm单色光照射的探测器Semi的光电流为1 nA，探测器Mesh的光电流是1.3 nA，因此探测器Mesh的光电流高于光敏面积较大的探测器Semi。这归因于探测器网格的肖特基势垒较高。
响应度（R）是描述检测器性能的关键指标，定义为光照下的电流值与探测器灵敏区域中光照的光功率的比值。当暴露于220 nm紫外光时，探测器Semi在0 V和1 V下的响应度分别为10.3 mA/W和11.0 mA/W，探测器Mesh的响应度为16.2 mA/W、17.8 mA/W。从图3（C）中，探测器Semi在0 V和1 V时的紫外可见光抑制比分别为274和180，Mesh的分别为312和241。这表明探测器具有典型的日盲特性。比探测率（D*）考虑了响应度与暗电流，更能全面衡量器件的性能。如图3（D）所示，在0 V偏压和220 nm 紫外光照射下，探测器Mesh的比探测率为5.2×1013 Jones，高于相同条件下Semi的3.8×1012 Jones。
图4 不同文献中金刚石日盲紫外探测器的暗电流，光电流与信噪比的对比
信噪比定义为器件光电流与暗电流的比值。可以从图4的红色点线位置直观的表现出来。由于极低的暗电流，在零偏压和220nm紫外光照射下，探测器Mesh的信噪比达到2.0×105。根据定义，图4中斜率为1的黄色虚线表示一定的信噪比值。x轴值越小，暗电流越小。相反，y轴值越大，光电流越大。因此，图中靠近左上角的点表示更好的探测器光电流性能和更高的信噪比。
图5 探测器时间响应与光电流输运机制
图5显示了在机械快门的开关下测得的探测器Semi和Mesh的时间分辨光电流。快门打开和关闭之间的时间间隔为20秒。为了直接比较电流变化，我们将处于打开状态的光电流设置为1，并将处于关闭状态的电流标准化。在连续紫外线照射后，每个检测器的导通状态光电流不变。在氘灯光的照射下，从图5（A）和（B）中可以观察到，探测器Semi的光电流与暗电流比达到3×104，Mesh的光电流与暗电流比达到5×104，这进一步证明了本研究中使用的探测器的超高灵敏度和探测范围。图5（C）显示了短路条件下金刚石肖特基紫外探测器的能带图。紫外光通过半透明肖特基电极照射金刚石本征层以激发电子-空穴对。电子-空穴对在结中的内置电场下分离，并漂移到电极，产生光电流。
表1对比了文献中日盲紫外探测器的关键参数。显然，本文器件的线性动态范围和比探测率高于先前报道的自供电紫外探测器。除具有大暗电流的金刚石纳米线紫外探测器外，本文的探测器在零偏压下显示出数至数十mA/W的响应度为最大。值得一提的是，最近报道的AlGaN/GaN光电晶体管具有优异的响应性和比探测率。然而，与自供电紫外探测器相比，它们在偏置电压下工作，需要更复杂的系统。
总结与展望
本研究制作并测试了基于Ru/金刚石肖特基二极管的自供电式太阳能盲紫外探测器。氧终端金刚石由于其稳定的性能和表面能带弯曲而被用作空穴阻挡层，抑制暗电流。5.7×108的整流比表明肖特基二极管的质量良好。使用热电子发射电流模型提取了肖特基器件的势垒高度分别为1.05和1.22eV。在0 V的220 nm紫外光照射下，探测器Mesh的光电流为1.3 nA，比暗电流高约2×105倍。探测器Semi和Mesh在零偏压和220 nm紫外光下的响应度分别为10.3 mA/W和16.2 mA/W，显示出明显的自供电特性。在零偏压和220 nm紫外光下，探测器Semi和Mesh获得了5.2×1013 Jones和3.8×1012Jones的高比探测率。本文验证了垂直型肖特基二极管器件适合用于自供电式日盲紫外探测器。
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