【国内论文】中国科学院＆营口理工学院：用于快速且高响应垂直光电探测器的超薄准2D Ga₂O₃打印技术

        由中国科学院及营口理工学院的研究团队在学术期刊 npj 2d materials and applications 发布了一篇名为 Printing ultrathin Quasi-2D Ga₂O₃ for fast yet highly responsive vertical photodetectors（用于快速且高响应垂直光电探测器的超薄准 2D Ga₂O₃ 打印技术）的文章。

        本研究部分由国家自然科学基金（项目编号：91748206）资助。

        光电探测器（PD）是一种将光信号转换为电信号的仪器，广泛应用于飞行引导、环境监测、图像传感、工业控制、光通信、红外测量等领域。响应时间是衡量光电探测器性能的重要参数，它描述了光电探测器对输入光信号变化的响应速度。快速响应光电探测器在光通信、高速摄影和生物医学成像等领域需求旺盛。尽管传统无机半导体材料具有高载流子迁移率的优势，能够实现光电探测器的快速响应，但其生产工艺复杂且成本较高。Ga₂O₃ 具有优异的化学稳定性、高击穿场强（~8 MV/cm）和超宽带隙（~4.8 eV），已被广泛应用于微电子学、光电检测和存储等领域。近年来，研究人员试图通过降低工艺成本并提升 Ga₂O₃ 紫外光电探测器的光电效率，验证了基于多种结构框架的 Ga₂O₃ 光电探测器，主要包括金属-半导体-金属（MSM）光导型光电探测器、肖特基光电探测器及异质结光电探测器。

        紫外线探测器具有信号处理简单、误报率低、抗干扰能力强等优点，在国防和民用领域均有广泛应用。氧化镓（Ga₂O₃）在光探测领域具有巨大潜力，但其响应速度较慢，阻碍了实际应用，因此亟需开发响应速度快的替代方案。本文首次通过液态金属打印策略，制备了超薄准二维（2D）Ga₂O₃ 垂直紫外光探测器，其通道长度极短。该器件实现了超快响应时间（≈1.18 μs）、高灵敏度（≈2.8 × 10¹³ Jones）、大开关比（~10⁷）及低暗电流（≈10 pA），其性能与商用材料相当，充分展现了其在光探测技术领域的巨大潜力。基于液态金属打印工艺的高性能低成本光探测器为 Ga₂O₃ 在紫外线检测领域的广泛应用奠定了成功基础。这表明新型准 2D Ga₂O₃ 器件在下一代光探测技术中具有巨大潜力。

        研究团队成功通过液态金属打印工艺获得了大规模高品质的准 2D Ga₂O₃，并在此基础上首次构建了垂直结构的 ITO/2D Ga₂O₃ 光探测器。通过器件结构创新，显著提升了光探测器的性能。ITO/准 2D Ga₂O₃ 结构有利于光生载流子的产生，且由于半导体通道长度缩短，这些载流子在复合前可被高效收集。这些优势使光探测器实现比平面器件更快的光学响应速度（特征响应时间为 1.18/3.09 μs）。据作者表述，这一质量因子在所有已知 Ga₂O₃ 光探测器中处于顶尖水平，并与顶级无机商业产品（如 PbSe-TiO₂-G, MoS₂/Si 和黑磷）相当。同时，当前薄膜探测器展现出优异的光探测性能，包括高灵敏度（200 μW cm⁻² 光强度下为 115.5 A/W）、显著的开关比（~10⁷）及低暗电流（≈10 pA）。并且制备了一个包含 36 个光探测器单元的阵列器件，其光电性能具有优异的均匀性和稳定性。进一步利用该光探测器阵列作为光敏元件构建了紫外光成像系统，并获得了清晰的紫外 2D 图像。这项工作解决了 Ga₂O₃ 探测器难以兼顾高灵敏度和快速响应速度的难题，表明准 2D Ga₂O₃ 器件在高效光探测应用中具有巨大潜力。预计这些光探测器将在广泛的超快光探测应用中发挥重要作用。

图1：2D Ga₂O₃ 薄膜的制备过程及形态。

图2：2D Ga₂O₃ 的结构与化学描述。

DOI：

doi.org/10.1038/s41699-025-00574-0