【会员新闻】研究热点 |东北师范大学最新研究进展！能带工程打破日盲紫外探测器灵敏度与速度的权衡

背景与亮点

        太阳辐射中包含大量的紫外线成分，但地球平流层中的臭氧层会强烈吸收200‒280   nm波长范围的紫外光，从而在自然界中形成一个“日盲”窗口。由于没有太阳背景光的干扰，日盲紫外光电探测器具有信噪比高、隐蔽性好、抗干扰能力强等独特优势，在导弹尾焰探测、高压电网电晕放电监测、生化环境感知和安全光通信等关键领域具有不可替代的作用。

        目前，日盲紫外探测技术主要面临三种路线的抉择：传统的光电倍增管灵敏度高但体积庞大、易碎且需要高压；硅基探测器结合外部滤光片技术成熟但成本高且滤光不彻底；而最具有潜力的超宽禁带半导体（如AlGaN和Ga₂O₃）因其本征的宽禁带特性，无需滤光片即可实现对深紫外光的高选择性响应，具有抗辐射、体积小、暗电流低等优势。然而，在超宽禁带半导体光电探测器的实际开发中，器件结构的设计一直陷入一个核心问题：光电导型探测器虽能实现高增益，但受限于持续光电导效应，响应速度极慢；而肖特基型和异质结型探测器虽然响应快、暗电流低，却常因为能带对齐不佳导致界面电荷分离效率低下，灵敏度受限。因此，如何合理设计出兼具高灵敏度与快速响应的光电探测器，是该领域长期存在的巨大挑战。

        近日，东北师范大学马剑钢教授、李鹏副教授课题组针对上述挑战，总结了通过能带工程策略打破日盲紫外光电探测器灵敏度与速度权衡限制的最新进展。该研究重点引入了“单极势垒”结构（如nBn和pBp结构）这一创新性解决方案。其核心机制在于通过精细的能带工程，在异质结界面构建对多数载流子（电子或空穴）具有高能量势垒的“单向门”，从而有效阻断暗电流的产生路径；同时；对少数载流子（空穴或电子）保持接近零的势垒，确保光生电流的顺畅无阻。这种设计不仅极大地抑制了暗电流、提升了信噪比和比探测率，还允许器件在更高的反向偏压下工作。强电场的引入不仅触发了载流子的碰撞电离和雪崩倍增（实现超高内部增益），还保证了光生载流子在耗尽区内的快速提取，从根本上消除了缓慢的载流子陷阱释放过程，实现了高增益与快响应的兼得。

图1.（a）nBn和（b）pBp单极势垒结构的能带图。通过设计，多数载流子被势垒层阻挡以抑制暗电流，而光生少数载流子则可以无阻碍地沿能带传输。

图2.（a）平衡状态下Ga₂O₃/MgO/Nb:STO异质结构的能带图；（b）雪崩状态下的能带图；（c）nBn单极势垒雪崩光电二极管的雪崩过程示意图；（d）平衡状态下ZnO/HfO₂/Ga₂O₃异质结的能带图，（e）反向偏压下ZnO/HfO₂/Ga₂O₃雪崩光电二极管的电势分布；（f）工作状态下ZnO/HfO₂/Ga₂O₃异质结的能带图；（g）无极化效应时AlGaN:Si/AlN/Ga₂O₃界面的能带排列；（h）极化作用下AlGaN:Si/AlN/Ga₂O₃异质结内部的电场分布；（i）AlGaN:Si/AlN/Ga₂O₃异质结光电探测的工作机理。

该文章以题为“Band engineering solar-blind ultraviolet photodetectors: Breaking the sensitivity-speed trade-off”发表在Journal of Semiconductors上。

文章信息：

Band engineering solar-blind ultraviolet photodetectors: Breaking the sensitivity-speed trade-off  

Hongbin Wang, Peng Li, Jiangang Ma

J. Semicond.  2026, 47(5): 050201 doi: 10.1088/1674-4926/26010031

作者简介

        第一作者王宏彬，东北师范大学物理学院博士后。

        主要从事宽禁带半导体（如Ga2O3）光电探测器件与物理研究。针对日盲紫外探测器性能瓶颈，创新性地通过异质界面能带弯曲与局域场调控，优化光生载流子动力学行为，显著提升了器件综合性能。相关成果以第一作者发表于Nat.  Commun.、IEEE EDL等期刊。目前主持国家自然科学青年基金项目、中国博士后科学基金等项目。

通讯作者

        马剑钢，东北师范大学教授、吉林省长白山人才工程科技领军人才。

        长期从事宽禁带半导体材料生长、物性调控及光电器件研究，承担国家重点研发计划、国防科工局专项等重大课题，发表SCI论文100余篇，授权发明专利10项。

通讯作者

        李鹏，东北师范大学副教授、青年长江学者。

        研究方向为宽禁带氧化物/氮化物半导体薄膜与光电器件，在薄膜晶体管、光电探测与成像领域取得系列特色成果，相关研究发表于Nat. Commun.、Adv. Mater.、Light等期刊，授权发明专利5项，主持国家及省部级课题多项。