【会员论文】西安电子科技大学郝跃院士、韩根全教授团队：蓝宝石衬底上具有创纪录探测率的高温稳健型β-Ga₂O₃光电晶体管

        由西安电子科技大学郝跃院士、韩根全教授、李晓茜副教授的研究团队在学术会议2026年第十届IEEE电子器件技术与制造会议（EDTM）发布了一篇名为High-Temperature Robust β-Ga₂O₃ Phototransistors on Sapphire with Record Detectivity for Solar-Blind UV Detection（蓝宝石衬底上具有创纪录探测率的高温稳健型β-Ga₂O₃光电晶体管）的文章。

        日盲波段（200–280 nm）的紫外线在穿过大气层时被臭氧层完全吸收，因此在地面附近几乎没有背景噪声。这使得日盲探测器在导弹预警、火灾监测、电力巡检（电弧检测）和深海通信等领域具有极高的信噪比和应用价值。作为超宽禁带半导体的代表，β-Ga₂O₃ 的禁带宽度约为 4.9 eV，其吸收截止边天然位于日盲区。与传统的宽禁带材料（如 SiC 或 GaN）相比，氧化镓无需复杂的合金化处理即可实现高选择性的日盲探测，且具有更高的理论击穿场强。虽然光电二极管响应速度快，但由于缺乏内部增益，其响应度通常较低。光电晶体管通过栅极调控和沟道放大作用，可以产生极大的内部增益，从而在探测微弱紫外信号时展现出极高的灵敏度（响应度）。在航空航天、发动机监测或极端工业环境中，探测器往往需要在高温下工作。然而，随着温度升高，载流子散射增强、复合率增加以及暗电流的剧烈波动，通常会导致探测器的灵敏度和探测率大幅下降。为了实现低成本和规模化，在蓝宝石（Sapphire）衬底上进行异质外延是主流方案。本研究利用金属有机化学气相沉积（MOCVD）技术，旨在解决异质外延层质量与高温稳定性之间的平衡问题。

        研究团队报道了通过 MOCVD 在蓝宝石衬底上生长出的异质外延 β-Ga₂O₃ 光电晶体管，在 254 nm 光照下表现出高达 9.0 × 10⁵ A/W 的响应率（R）和 2.7 × 10¹⁹ Jones 的检测率（D*）。尽管随着温度升高，载流子散射和复合增强导致光电流减小，但器件在 200 °C 下仍保持着 3.0 × 10⁴ A/W 的响应度和 2.6 × 10¹⁷ Jones 的检测度。这种温度鲁棒性归因于电绝缘蓝宝石衬底（可抑制寄生导电）与具有强栅极控制的高质量 β-Ga₂O₃ 沟道相结合，二者共同在 25-200 °C 范围内维持了超低的暗电流。这些结果凸显了光电晶体管在恶劣环境下进行微弱光日盲紫外线检测的巨大潜力。

        •在室温和 254 nm 紫外光照射下，该器件实现了 9.0 × 10⁵ A/W 的极高响应度，以及创纪录的 2.7 × 10¹⁹ Jones 探测率。

        •通过栅极电压的精确控制，器件能够有效抑制暗电流，显著提升了在弱光探测场景下的信号鉴别能力。

        •通过优化的 MOCVD 工艺，降低了 β-Ga₂O₃/蓝宝石界面的缺陷密度，为器件的高性能和高可靠性提供了硬件保障。

        生长在蓝宝石衬底上的异质外延 β-Ga₂O₃ 光电晶体管展现出卓越的响应度和探测度，这得益于其优异的外延质量和受控的暗电流。重要的是，这些器件在高达 200 °C 的温度下仍能保持优异的光检测性能，灵敏度达 3.0 × 10⁴ A/W，探测率达 2.6 × 10¹⁷ Jones。这些结果表明，蓝宝石基 β-Ga₂O₃ 光电晶体管是极端环境条件下进行日盲紫外线检测的极具前景的候选器件。

        作者感谢中国国家自然科学基金（62404176，62574154，U23A20351）以及中国国家重点研发计划（2023YFB4402300）提供的支持。

图1 (a) β-Ga₂O₃ 日盲光电晶体管的示意图和 (b) 光学显微镜图像。(c) 所制备器件的关键工艺步骤。(d) β-Ga₂O₃ 外延薄膜的透射光谱。

图2 (a) β-Ga₂O₃ 日盲光电晶体管的传输曲线和 (b) 输出曲线。

图3 (a) 光电晶体管在 254 nm 光照下不同光强下的传输特性。(b) R 和 D*、(c) PDCR 和 EQE 随光功率密度的变化关系。(d) β-Ga₂O₃ 光晶体管在暗态及 1 μW/cm² 光照下的传输曲线，温度范围为 25 °C 至 200 °C。

图4 β-Ga₂O₃光 晶体管中（a）R、（b）D*、（c）PDCR 以及（d）EQE 随光功率密度和温度的变化关系。

图5 本研究中 R 和 D* 的基准测试结果与已报道的 β-Ga₂O₃ 光晶体管参数的对比。

DOI：

doi.org/10.1038/s41524-026-02022-z