【会员论文】南京邮电大学&北京邮电大学：具有光子与能带工程的各向异性Ga₂O₃纳米光栅实现高灵敏度日盲光探测器

        由南京邮电大学和北京邮电大学的研究团队在学术期刊 Advanced Optical Materials 发布了一篇名为 Anisotropic Ga₂O₃ Nanograting with Photonic and Band Engineering Enables High-Sensitivity Solar-Blind Photodetectors（具有光子与能带工程的各向异性 Ga₂O₃ 纳米光栅实现高灵敏度日盲光探测器）的文章。

        本研究工作得到了以下项目的资助：国家重点研发计划（项目编号 2022YFB3605404）、南京邮电大学人才引进科研启动基金（项目编号 XK1180924052）、江苏省自然科学基金（项目编号 BK20250657）、中国国家留学基金委资助项目（项目编号 202406470087），以及北京邮电大学优秀博士研究生基金（项目编号 CX20242038）。

        日盲紫外（200–280 nm）探测器在安全通信、环境监测和空间应用中具有重要价值。Ga₂O₃ 以其超宽禁带、本征日盲吸收和高辐射耐受性成为理想材料之一，但其器件仍受表面缺陷导致的较大暗电流、光吸收效率低和偏振灵敏度不足的限制。纳米结构设计，尤其是一维纳米光栅，可在增强光吸收的同时调控载流子输运，提升偏振响应，为高性能 Ga₂O₃ SBPDs 提供新方案。当前仍需深入研究金属–纳米结构界面对能带调控及光生载流子输运特性的影响，以指导器件性能优化。

        基于 Ga₂O₃ 的日盲紫外光探测器具备本征的日盲吸收和耐辐射特性，但仍受限于表面漏电流、光子-载流子耦合效率不足以及偏振灵敏度较弱等问题。本文引入纳米光栅光子结构，通过光子学与能带工程调控载流子输运特性。该设计增强了光子-载流子耦合，并调节界面能带结构，从而增强光电导增益并抑制暗电流。纳米光栅结构通过提升界面导带能级有效降低暗电流，同时借助降低反射率和透射率来增强光吸收。其固有各向异性使器件无需外部光学元件或相位调控方法即可实现偏振响应。优化后的器件实现了超低暗电流（1.8 × 10^-14 A）、高响应度（174.8 A W^-1）、高比探测率（1.7 × 10¹⁴ Jones，提升达 1209.3%），以及高偏振比（570%），性能显著优于传统平面型 Ga₂O₃ 日盲光探测器（SBPDs）。本研究提出了一种基于光子–电子共设计的新策略，实现了高灵敏度、低噪声且具优异偏振响应的日盲光探测器。

        总结而言，本研究揭示了 Ga₂O₃ 纳米光栅在光电探测器中实现光–物质相互作用增强与载流子输运调控的作用机制。该策略通过界面势垒调控与纳米结构设计的光管理，有效解决了响应度与暗电流之间的权衡。通过提升接触势垒，暗电流被降低至超低水平 1.8 × 10^-14 A。纳米光栅同时通过降低反射率和透射率增强光吸收，从而提升光响应。此外，其固有各向异性使器件无需依赖外部光学元件或相位调控技术即可实现高效偏振响应。该器件表现出卓越性能，其比探测率达 1.7 × 10¹⁴ Jones，光响应度为 174.8 A W^-1，并具有高分辨率偏振灵敏性，体现了器件性能的提升。本研究将光子学设计原理与宽禁带半导体电子学相结合，为下一代光电子系统及未来应用奠定了基础。

图 1. a) 带有 Ga₂O₃ 纳米光栅的光电探测器示意图。b) 模拟能带结构图。插图显示提取的横向电子分布。c) 光生成速率，d) 反射率、透射率与吸收率，e,f) Ga₂O₃ 薄膜和 Ga₂O₃ 纳米光栅的吸收率随偏振角变化曲线。

图 2. a) β-Ga₂O₃ 薄膜的 XRD 图。b) (-201) 衍射峰的摇摆曲线。c) β-Ga₂O₃ 薄膜的 HRTEM 图像。d) β-Ga₂O₃ (-201) 晶面的原子排列。Ga₂O₃ 纳米光栅的 SEM 图像：(e) 平面图,(f) 横截面图。g,h) Ga₂O₃ 薄膜和 Ga₂O₃ 纳米光栅的紫外吸收光谱。

图 3. a) 平面器件（Pristine）和 b) NG-P300 器件的 I–V 特性。c) 提取的暗电流 (I_dark) 与光电流 (I_photo) 及不同周期光电探测器的 PDCR 计算结果。d,e) Ti/Ga₂O₃ 与 Ti/Ga₂O₃ 纳米光栅界面的能带示意图。

图 4. a) 不同周期光电探测器的 R&D*。光电探测器在 200–400 nm 波长下的 b) R， c) D*。d) 平面器件与 NG-P300 器件的 τ_r 与 τ_d 拟合结果。e) 成像测量系统示意图及在 255 nm 光照下 “GNPI” 字母的成像图案。

图 5. a) 偏振探测器示意图。b,c) 偏振光下的时间分辨光电流响应。d,e) 器件光电流随偏振角变化图。f) 基于不同 Ga₂O₃ 形貌的各类偏振光电探测器的偏振比 (PR) 比较。

DOI：

doi.org/10.1002/adom.202502309