【国内论文】上海电机学院王相虎教授团队：基于 β-Ga₂O₃ 的日盲紫外光探测器异质结工程的最新进展

        由上海电机学院王相虎教授的研究团队在学术期刊 Semiconductor Science and Technology 发布了一篇名为 Recent advances in heterojunction engineering of β-Ga₂O₃-based solar-blind ultraviolet photodetectors（基于 β-Ga₂O₃ 的日盲紫外光探测器异质结工程的最新进展）的文章。

        在火焰探测、导弹追踪及空间通信等前沿领域，对日盲紫外（Solar-blind UV）探测器的高性能需求日益增长。氧化镓（β-Ga₂O₃）凭借其天然的超宽带隙和卓越的化学稳定性，成为该领域最具潜力的材料，但传统的单相氧化镓器件常受限于严重的持久光电导效应（PPC）、高暗电流以及对外部电源的依赖。为了克服这些瓶颈，研究者们通过引入异质结工程（Heterojunction Engineering），利用不同材料（如 p 型氧化物、宽禁带半导体或低维材料）与氧化镓构建能带差异，从而利用强大的内置电场加速载流子分离，这不仅能显著抑制噪声和提升响应速度，更为实现高灵敏度的自供电探测开辟了关键技术路径。

        近年来，环境监测、专业检测和空间通信等领域对高性能光电探测器的需求显著增长。日盲紫外（SBUV）光电探测器因其独特的光谱选择性和高灵敏度而成为研究热点。作为一种超宽带隙半导体材料（约 4.9 eV），β-Ga₂O₃ 因其优异的本征特性，包括高击穿场强、出色的热稳定性和在 SBUV 波段内的优异响应，被视为 SBUV 探测领域极具潜力的材料。研究表明，构建基于 β-Ga₂O₃ 的异质结能有效调节界面带结构，显著提高光生载流子分离效率，在抑制暗电流的同时提高器件响应率，并为解决传统光电探测器的性能局限提供了潜在途径。基于材料-器件协同优化框架，本综述系统总结了 β-Ga₂O₃ 异质结 SBUV 光电探测器的最新研究进展，重点关注了从材料属性调制、异质结界面工程和器件结构设计三个维度进行性能优化的策略。同时，还讨论了未来的发展方向。

        ● 探讨了通过界面工程、掺杂调控和纳米结构设计（如纳米柱、核壳结构）来降低暗电流并提高比探测率（Detectivity）的技术路径。

        ● 详细讨论了基于光伏效应（Photovoltaic effect）的自供电探测器，强调了内置电场在实现零功耗探测中的核心作用。

        ● 除了基础的光电性能，综述还展示了异质结探测器在成像阵列、柔性电子器件以及逻辑运算（如光电逻辑门）等新兴领域的应用潜力。

        ● 指出了大规模、高质量异质外延生长以及界面缺陷态的精确表征是未来实现商业化应用的关键挑战。

        展望未来，β-Ga₂O₃ 异质结光电探测器的发展将沿着三条主要轨迹前进。在材料研究方面，深入理解掺杂机制以发现可行的 p 型掺杂解决方案，以及探索与 β-Ga₂O₃ 结合的新型材料组合，可能至关重要；多技术融合方法应优化异质界面质量和能带结构，以提高器件性能。在器件设计和制造方面，预计架构方面的持续创新——包括新型异质结配置、纳米结构化和微/纳米制造——将推动小型化、集成化和功能智能化，而精细化的生长技术必须提高薄膜质量、生产一致性和成本效益。

        在应用拓展方面，5G 通信和物联网等新兴技术将推动 β-Ga₂O₃ 光电探测器在高速光网络、环境监测系统和可穿戴电子设备中的更广泛应用。此外，β-Ga₂O₃ 光电探测器与其他片上光子元件的集成正成为关键方向。近期的一些演示，如硅基底上通过金属有机化学气相沉积（MOCVD）生长的 Ga₂O₃ 光波导，为结合检测、调制和路由功能的小型单片式 SBUV 光子系统铺平了道路。除了硬件集成外，这些器件与人工智能和大数据分析的进一步融合，将在更广泛的网络中赋能智能传感、实时诊断和自主决策。通过持续解决技术瓶颈，β-Ga₂O₃ 异质结光电探测器将在光电子领域发挥越来越重要的作用，加速多个行业的工业进步。

        本研究得到了中国国家自然科学基金（项目编号：U22A2073）的资助。

图1.(a) Ga₂O₃ 多晶的相互转化关系，(b) β-Ga₂O₃ 的晶体结构和晶格常数。

图2. 多层石墨烯（MLG）/β-Ga₂O₃ 异质结深紫外光电探测器的结构与光电分析。（a）器件结构示意图；（b）β-Ga₂O₃ 基底上的多层石墨烯（MLG）薄膜的原子力显微镜（AFM）形貌图；（c）多层石墨烯（MLG）与 β-Ga₂O₃ 的对比拉曼光谱；（d）响应率和探测率的电压依赖性演变。

图3. β-Ga₂O₃/NSTO 异质结光电探测器的结构和光电特性。（a）器件结构示意图；（b）在暗态和不同光强 254  nm 光照下的电流-电压（I-V）特性（插图：暗态 I-V 曲线的放大图）；（c）在 0 V 偏压和 45 µW cm⁻² 254 nm 光照下的光响应切换行为；（d）时间分辨光电流与入射光强的函数关系；（e）电压依赖的响应率演变；（f）能带排列图，展示了界面载流子动力学。

图4. nBp 异质结光电探测器的多维性能调制。（a）nBp 异质结的示意图；（b）nBp 异质结器件的光响应特性：在 –20 V 偏压下；（c）反向电压下 nBp 光电探测器的 D*；（d）不同偏压下峰值响应率与不同波长下响应率之比的关系。

图5.(a)左：Ga₂O₃ 肖特基雪崩光电二极管（APD）的示意结构。右：掺金 β-Ga₂O₃ 的能带图；(b)在 60 V 反向偏压下，APD 在不同光功率密度下的归一化时间依赖性光响应特性；(c)APD 的上升和衰减时间随光功率密度的变化。 (d)金属镜增强型双壁肖特基（TWS）范德华（vdW）异质二极管器件示意图；(e)在 V_ds = 2 V 时，TWS 异质二极管器件的 R 和 EQE 随入射光波长的变化。

图6. β/κ-Ga₂O₃ 界面异质结的自供电特性。（a）具有交叉相界面特征的准垂直二极管结构（插图：微观拓扑结构）；（b）零偏压下 β-Ga₂O₃/κ-Ga₂O₃ 结的能带示意图；（c）所展示的 β/κ-Ga₂O₃ p 型异质结光电二极管与已报道的 Ga₂O₃/Ga₂O₃ 混合相光电二极管（PD）的自供电光响应率和开/关比对比。

图7. (a) 上部：具有 I 型和 II 型带排列的 2D/2D/β-Ga₂O₃ 异质结。下部：光电探测器器件模型的示意图；(b) 上部：Au/MoS₂/β-Ga₂O₃ 界面的电场分布。下部：M4 器件中 β-Ga₂O₃ 晶界（GBs）周围的电子；(c) InSe/β-Ga₂O₃ 器件结构的示意图。(d) InSe/β-Ga₂O₃ 异质结的 I - V 曲线；插图：β-Ga₂O₃、InSe 器件以及 InSe/β-Ga₂O₃ 混合维异质结的对应光学显微镜图像。

图8. 石墨烯/β-Ga₂O₃ 异质结光电探测器的光电特性。（a）大面积“三明治”结构示意图；（b）电压依赖的响应率演变；（c）和（d）具有亚毫秒级响应动力学的时间分辨光电流曲线。

图9. 石墨烯/β-Ga₂O₃ 异质结光探测器的自供电特性。（a）三维异质结构的示意图；（b）光功率依赖的响应率和比探测率；（c）在偏置电压为 0 V 时的开关周期时间响应。插图：单个周期的放大图；（d）光探测器的稳定性，在大气环境下长时间暴露；（e）无偏置光转换效率优化。