【会员论文】东北师范大学李炳生教授团队---具有偏压可调谐光谱选择性响应的高性能Ga₂O₃/GaN异质结紫外光探测器

        本研究得到国家自然科学基金委员会（编号：62274027 和 62404039）、松湖材料实验室开放研究基金（2023SLABFK03）、111 中心（B25030）和吉林省资金（编号：20220502002 GH）、中国博士后科学基金项目（GZC20230416）以及中央高校基本科研业务费专项资金（2412024QD010）的支持。

        紫外（UV）光电探测器在火焰探测、安全通信、环境监测等领域有广泛应用。根据波段不同，通常需要不同材料的探测器。将两种不同带隙的半导体材料结合形成异质结，有望在单个器件中实现对多个紫外波段的探测。开发一种能够“选择”或“调谐”其探测波段的探测器，对于提升系统功能性、降低复杂性和成本具有重要意义。例如一个器件如果能根据需要切换其对 UVA 或 UVC 光的敏感度，将极具应用价值。实现这种光谱选择性的方法之一是通过改变器件的工作偏置电压来调控其内部的电场分布和载流子输运路径。

        采用 GaN 热氧化法成功制备了 β-Ga₂O₃ 薄膜，并构建了具有不同电极参数（包括长度、宽度和电极间距）的 Ga₂O₃/GaN 异质结紫外光电探测器。在优化的电极参数的情况下，探测器表现出极低的暗电流，在 10 V 偏压下仅为 63.2 fA。在 33 μW/cm² 的紫外光照射下，探测器表现出超过 10⁶ 的光暗电流比。通过调整 β-Ga₂O₃ 光吸收层的厚度以增强紫外光吸收并减少载流子复合，探测器实现了高达 3061 A/W 的响应度和超过 10¹⁵ Jones 的探测率。此外，通过调节施加的偏压，探测器能够对日盲紫外单波段和日盲近紫外双波段响应光谱进行可调控制。这些研究成果为高性能紫外光电探测器的优化设计和应用提供了重要的理论支持和实验依据。

        ● 成功演示了基于 Ga₂O₃/GaN 异质结的偏压可调谐双波段（UVA 和 UVC）紫外探测器。

        ● 仅通过调节偏置电压即可切换主要探测波长是该器件的一大功能亮点，在单个简单器件中实现了光谱选择性响应。

        ● 实现了高性能器件，包括 fA 级的超低暗电流、超过 3000 A/W 的超高响应度以及超过 10¹⁵ Jones 的极高探测率。

        这项工作展示了一种通过热氧化法制造的 Ga₂O₃/GaN 异质结紫外光电探测器（PD）。该探测器表现出卓越的性能，其亮电流与暗电流之比超过 10⁶，超高响应度为 3061 A/W，探测率大于 10¹⁵ Jones。此外，通过调节施加的偏压，该器件能够灵活控制日盲紫外单波段和日盲近紫外双波段响应光谱。

图 1 （a）GaN/Al₂O₃; Ga₂O₃/GaN/Al₂O₃ 薄膜的 XRD 图谱。（b）Ga₂O₃ 和 GaN 的截面扫描电子显微镜图像。

图2.（a）器件示意图。电极参数示意图。（b）暗态和光照条件下的 I-V 曲线。（c）10V 偏压下的暗电流。（d）10V 偏压下的光电流与暗电流之比。（e）10V 偏压和 255 nm光照下的响应度。（f）10V 偏压和 255 nm光照下的探测率。

DOI：

doi.org/10.1109/LED.2025.3562580