【国内论文】LPR丨北邮吴真平教授、南开大学张杨教授团队：45°晶格旋转破解大失配难题，Ga₂O₃/GaAs实现无串扰双波段探测

        由北京邮电大学吴真平教授、南开大学张杨教授联合中国电子科技集团公司第十一研究所的研究团队在学术期刊 Laser & Photonics Reviews 发布了一篇名为Lattice-Rotating SrTiO₃ Buffer Enables Self-Powered DUV/NIR Dual-Band Ga₂O₃/GaAs Photodetectors with Wavelength-Polarity Locking for Optical Encryption（晶格旋转SrTiO₃缓冲层助力自供电深紫外/近红外双波段Ga₂O₃/GaAs光电探测器：波长-极性锁定与光学加密应用）的文章。

        Laser & Photonics Reviews 是光学与光子学领域具有国际影响力的顶级学术期刊之一，主要聚焦激光科学、光电子学、纳米光学、集成光子学、量子光学、超快光学以及新型光电材料与器件等前沿方向。期刊同时刊载高水平综述文章、原创研究论文及研究快报，强调研究工作的创新性、前沿性与跨学科影响力。

        该期刊在光学与光子学领域具有较高学术认可度，最新影响因子约为10，h-index达到94，CiteScore为15.10，属于中科院1区Top期刊。由于其对原创性与研究质量要求较高，长期以来一直是国际光电领域重要科研成果发布的平台之一，在激光技术、光通信、先进半导体光电子器件以及新型功能材料研究方向具有较强影响力。

        随着物联网（IoT）、安全战术通信和多模态传感的飞速发展，能够同时探测深紫外（DUV，200-280 nm）和近红外（NIR，700-1100 nm）等不同光谱波段的探测器需求日益迫切。由于平流层臭氧的强吸收，地表背景噪声极低；同时大气衰减限制了传输距离，深紫外（DUV）天然具备防窃听能力，适用于非视距（NLOS）短程通信。近红外（NIR）技术成熟、数据传输率高且具备优异的穿透力。将氧化镓（Ga₂O₃）等宽禁带氧化物与成熟的 III-V 族半导体（如 GaAs）进行异质集成，是实现下一代多模态光电子器件的有效途径。然而，由于这两类材料系统之间存在巨大的晶格失配，如何通过有效的界面工程来消除界面应力并实现高质量的外延生长，是当前领域面临的核心瓶颈。为了满足边缘计算和便携式设备的需求，开发无需外部电源（自供电）且具备硬件级安全特性的光电器件成为重要研究方向。

        宽禁带氧化物与成熟的 III-V 族半导体进行异质集成，为下一代多模光电子学带来了广阔前景，但由于这些不同材料体系之间存在显著的晶格失配，这一集成仍面临挑战。本文通过引入 SrTiO₃ (STO) 缓冲层，该层通过晶格旋转机制吸收界面应变，从而实现了 Ga₂O₃ 在 GaAs 衬底上的高质量外延生长。利用该异质结构，制备了一种垂直型 Au/Ga₂O₃/STO/GaAs/Ti 光探测器，实现了自供电、极性可切换的双波段检测。该器件对 255 nm 日盲紫外光表现出 55 mA/W 的响应度（负极性光电流），对 940 nm 近红外光表现出 5 mA/W 的响应度（正极性光电流），响应时间分别为 1.56 ms 和 1.04 ms。这种双向光响应归因于顶部 Au/Ga₂O₃ 肖特基结和底部 Ga₂O₃/STO/GaAs 异质结上建立的相反内建电场，这些电场根据入射波长将光生载流子选择性地驱动到相反的方向。利用这种波长-极性锁定效应，演示了无滤波器波分复用（WDM）通信和硬件级光学图像加密。这项工作为大失配异质外延提供了有效的界面工程策略，并为安全、零功耗的光电子系统开辟了一条道路。

        •通过引入 STO 缓冲层并利用晶格旋转机制调控界面应力，成功克服了氧化镓与砷化镓之间的巨大晶格失配，实现了高质量的外延集成。

        •建了垂直结构的 Au/Ga₂O₃/STO/GaAs/Ti 器件，在零偏压下实现了对 255 nm 紫外光和 940 nm 近红外光的灵敏响应。

        •利用该极性切换特性，研究团队成功演示了无需滤光片的波分复用（WDM）通信以及高安全性的硬件级光学图像加密技术。

        通过引入STO缓冲层，利用45°晶格旋转机制来吸收界面应变，从而克服了β-Ga₂O₃与GaAs衬底之间显著的晶格失配问题。该策略将两个正交方向上的各向异性晶格失配从6.32%降低至约4%，从而实现了高质量的异质外延生长，其表面均方根粗糙度降低了50%以上。利用该平台演示了一种垂直 Au/Ga₂O₃/STO/GaAs/Ti 光探测器，该探测器能够同时检测 DUV（255 nm）和 NIR（940 nm），且无串扰。该器件表现出 55 mA/W（DUV）和 5 mA/W（NIR）的响应度、快速的响应时间（DUV 为 1.56 ms，NIR 为 1.04 ms）以及超低的等效噪声功率（NEP = 2.6 × 10⁻¹¹ W Hz^−1/2，针对 DUV）。这种双向响应源于背靠背的内置电场，该电场会根据入射波长将光生载流子有选择地驱动至相反方向。这项工作不仅为大失配异质外延建立了有效的界面工程策略，也为下一代紧凑、安全且低功耗的双波段光电子系统铺平了道路。

        通过在紧凑型自供电器件中实现无串扰的深紫外/近红外同步检测，克服了困扰传统双波段系统的集成密度与检测保真度之间的权衡。由内建电场驱动的自供电工作模式，符合物联网和便携式传感设备对低功耗的要求。此外，波长-极性锁定效应为波分复用（WDM）通信和光加密提供了硬件级解决方案，这对数据安全和实时处理至关重要的应用具有关键意义。与基于软件的加密不同，硬件级光谱鉴别具有抗黑客攻击能力并能降低延迟，因此适用于高安全性的战术通信和机密数据传输。

        本研究得到国家自然科学基金（项目编号：12474065）、信息光子学与光通信国家重点实验室基金（IPOC2025ZR05、IPOC2025ZJ06）、科学仪器实验技术研究与开发项目（南开大学，24NKSYJS03）以及中央高校基本科研业务费专项资金（BUPT, 2023ZCJH1）。

图1. 通过STO缓冲层对 Ga₂O₃/GaAs 异质结进行晶格工程。(a) 无缓冲层的 Ga₂O₃/GaAs 异质结界面的原子结构模型：截面图（左）和界面Ga原子投影（右）。(b) 显示 45° 晶格旋转的 Ga₂O₃/STO/GaAs 异质结构原子结构：截面图（左）和界面 Ga—Ti 原子排列（右）。(c) Ga₂O₃/GaAs 和 Ga₂O₃/STO/GaAs 薄膜的 XRD θ–2θ 图谱。(d) Ga₂O₃ (710)、STO (110) 和 GaAs (110) 的 XRD φ 扫描图。比较 Ga₂O₃/GaAs（左，RMS = 5.22 nm）和 Ga₂O₃/STO/GaAs（右，RMS = 2.47 nm）表面形貌的 AFM 形貌图。

图2. (a) Ga₂O₃/STO/GaAs 异质结的截面透射电子显微镜（TEM）图像。(b) 界面处 Ga、Sr、Ti、O 和 As 的能谱（EDS）元素分布图。(c) Ga₂O₃/STO/GaAs 区域的高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）图像。(d) Ga₂O₃、STO 和 GaAs 的放大高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）图像，显示了测得的晶格间距。(e) 对应于 Ga₂O₃、STO 和 GaAs 特征晶面的傅里叶变换（FFT）图谱。(f) 逆傅里叶变换（IFFT）图像，突显了各层内部晶格条纹的均匀性。

图3. Au/Ga₂O₃/STO/GaAs/Ti 光探测器的光响应特性。(a) 器件结构示意图。(b) 零偏压下 200 至 1100 nm 的光谱响应曲线，显示深紫外（DUV）区域为负光电流，近红外（NIR）区域为正光电流。(c) 255 nm 照射（1–1000 µW/cm²）和 (d) 940 nm 照射（0.1–10 mW/cm²）下的 I–V 特性曲线。(e) 255 nm 和 940 nm 波长下光电流与光强的关系（对数-对数坐标系）。(f) 255 nm 和 (g) 940 nm 不同光强照射下零偏压时的时间分辨光响应。 (h) 噪声功率谱密度（左轴）与噪声等效功率（右轴）随频率的变化关系。

图4. 光探测器的动态响应稳定性。(a) 在 255 nm（200 µW cm²）和 940 nm（1 mW cm²）交替照射下进行的长期测试，频率为 0.05 Hz，持续 4500 s。(b) 248 nm（DUV）和 1064 nm（NIR）波长下 10 Hz 脉冲激光激发时的瞬态响应。单脉冲响应曲线显示衰减时间分别为：(c) NIR 为 1.04 ms，(d) DUV 为 1.56 ms。

图5. 基于 XPS 的能带对齐分析。(a–c) 体相 (a) GaAs、(b) STO和 (c) Ga₂O₃ 的核心能级和价带光谱。(d) Ga₂O₃/STO/GaAs 界面的核心能级光谱。(e) 基于 XPS 测量结果绘制的 Ga₂O₃/STO/GaAs 异质结能带对齐示意图。(f) 深紫外光 (DUV) 和 (g) 近红外光 (NIR) 照射下载流子传输机制的能带图。

图6. 光加密和 WDM 通信中的应用演示。(a) 以 BPD 作为接收器的安全光通信系统示意图。(b) 表示明文消息“RTV”（通过940 nm光传输）和密钥“KeyIsNum8”（通过 255 nm 光传输）的 ASCII 编码光信号。(c) BPD 记录的 940 nm 与 255 nm 混合光信号波形。(d) 通过电流极性鉴别提取的解密明文和密钥。(e) 输入图像：由 940 nm 光编码的有效“Lock”图像以及由 255 nm 光编码的“Key”图像。图像被像素化为 24×24 的矩阵，其中每个像素的开/关状态由彩色方点表示。(f) 传统单向光电探测器输出的光电流及其对应的解密图像，表明其无法破译加密信号。(g) BPD 输出的光电流及其成功恢复的“Lock”图像。

DOI：

doi.org/10.1002/lpor.71239