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【国内论文】上海电机学院王相虎教授联合中山大学、国防科技大学：通过原位 GaON 界面工程构建高性能自驱动 p-GaN/Ga₂O₃ 异质结日盲光电探测器
日期：2026-06-05阅读：12
由上海电机学院王相虎教授联合中山大学、国防科技大学的研究团队在学术期刊 Journal of Physics D: Applied Physics 发布了一篇名为High-performance self-powered p‑GaN/Ga₂O₃ solar-blind photodetector via in situ GaON interface engineering（通过原位 GaON 界面工程构建高性能自驱动 p‑GaN/Ga₂O₃ 异质结日盲光电探测器）的文章。
背 景
日盲深紫外（DUV）光电探测器在导弹预警、保密通信、环境监测、臭氧分析等领域具有不可替代的战略价值。宽禁带半导体是制备该类探测器的核心材料，ZnMgO、AlGaN、金刚石、BN、Ga₂O₃ 等均为常用候选体系。其中，AlGaN 与 MgZnO 需高组分掺杂，易引发晶格失配、位错密度高、相分离等问题；金刚石与 BN 禁带宽度适配日盲波段，但制备成本高、工艺严苛、难以获得大尺寸高质量单晶衬底，限制了商业化应用。β‑Ga₂O₃ 本征禁带宽度约 4.9 eV，天然匹配 200–280 nm 日盲光谱，无需复杂合金化，且理论击穿场强、品质因数优异，可通过低成本熔体法制备大尺寸高质量单晶衬底，是理想的日盲探测材料。但 Ga₂O₃ 难以实现高效 p 型掺杂，构建异质结成为主流解决方案，p‑GaN 因晶格匹配、掺杂工艺成熟成为优选搭配。p‑GaN/n‑Ga₂O₃ 异质结为 II 型能带排列，导带偏移小利于电子传输，价带偏移大可阻挡电子回注，内建电场强，载流子分离效率高。然而，Ga₂O₃ 异质结界面存在晶格失配、表面悬挂键密度高导致的界面态问题，引发暗电流大、响应速度慢、增益与速度难以兼顾等缺陷，界面钝化工程成为优化器件性能的关键手段。
主要内容
该团队报道了一种通过原位生成 GaON 中间层增强的高性能自供电 p‑GaN/Ga₂O₃ 异质结日盲光电探测器。采用氧等离子体处理和高温退火工艺，GaON 层作为调制隔离层物理分隔异质结界面，可有效扩展耗尽区并抑制带间隧穿，使暗电流显著降低。经处理的探测器暗电流降低 4 个数量级（−10 V 时低至 10 pA），250 nm（350 nm）波长下的比探测率高达 2.7×10¹³（1.6×10¹³）Jones，250 nm（350 nm）波长下的响应度达到 1.4（0.75）A W⁻¹。优化的器件结构实现了光生电子‑空穴对的快速分离，上升 / 下降时间分别为 21 μs/49 μs。研究结果证明了 GaON 中间层在抑制漏电流、调控载流子动力学方面的显著作用，为制备高灵敏度、自供电型半导体紫外光电探测器提供了有效途径。
创新点
· 采用氧等离子体处理 + 高温退火两步工艺，在 p‑GaN 表面原位制备 GaON 界面层，实现异质结界面精准调控；
· GaON 层兼具缓冲层与钝化层作用，缓解晶格失配、钝化界面态，将暗电流降低 4 个数量级；
· 构建阶梯型 II 型能带排列，平衡增益与响应速度，实现自供电、高响应度、高探测率、超快响应的日盲探测；
· 器件在−10 V 下比探测率达 2.7×10¹³ Jones，上升 / 下降时间 21 μs/49 μs，综合性能优于多数已报道 Ga₂O₃ 基紫外探测器。
总 结
该团队通过氧等离子体处理和 900 ℃ 氮气退火两步制备工艺，成功在 p‑GaN 表面构建原位 GaON 中间层，制备出高性能 p‑GaN/Ga₂O₃ 异质结深紫外光电探测器。拉曼光谱与 XPS 表征证实了 GaON 层的形成。经处理的 p‑GaN/Ga₂O₃ 探测器表现出优异性能，零偏压下光激发电子‑空穴对可通过内建电场高效分离，实现自供电工作。该光电探测器具有高光暗电流比，暗电流低至 10 pA，250 nm 下响应度 1.4 A W⁻¹，350 nm 下响应度 0.75 A W⁻¹。基于 p‑GaN/Ga₂O₃ 异质结能带设计，探测器实现了 21 μs/49 μs 的快速瞬态响应速度。本研究为开发面向各类实际应用的高性能 Ga₂O₃ 基自供电紫外光电探测器提供了重要参考。
项目支持
国家自然科学基金（No. U22A2073，62474197，52473247）；广东省基础与应用基础研究基金（2024A1515011536，2025A1515011381）；广州市基础与应用基础研究基金（2025A04J7142，2025A04J4372）；广东省磁电物理研究中心（No. 2024B0303390001）；广东省磁电物理与器件重点实验室（No. 2022B1212010008）
图 1. (a) GaN/Ga₂O₃ 异质结光电探测器的制备流程。(b) 氧等离子体处理前（上）后（下）GaN 表面原子结构示意图。
图 2. (a) 未处理的原始 GaN 薄膜表面形貌原子力显微镜（AFM）图。(b) 氧等离子体处理后的 GaN 薄膜图。(c) 沉积的 Ga₂O₃ 薄膜图。(d) Ga₂O₃/GaN 异质结截面扫描电子显微镜图，插图为处理后 GaN 薄膜表面。(e) 处理前后 GaN 薄膜的 X 射线衍射（XRD）图谱，插图为 (0004) 衍射峰放大图。(f) 处理前后 GaN 薄膜的拉曼光谱。
图 3. GaN 薄膜的 X 射线光电子能谱（XPS）分析。(a) 未处理原始 GaN 薄膜的 Ga 3d、(b) O 1s、(c) N 1s 高分辨率 XPS 谱。(d) 处理后 GaN 薄膜的 Ga 3d、(e) O 1s、(f) N 1s 高分辨率 XPS 谱。
图 4. (a) 器件结构三维示意图，插图为叉指电极光学显微镜图。(b) 原始器件与 (c) 处理后器件在暗态、250 nm 和 350 nm 光照下的电流 - 电压（I–V）特性。(d) −10 V 偏压下 250 nm 光照时处理后器件的光电流随光强变化关系，插图为原始器件对应关系。(e) 原始器件与 (f) 处理后器件在 0 V 和−10 V 偏压下的光谱响应度。
图 5. (a) 0 V 偏压下 250 nm 和 350 nm 光照时原始与处理后器件的时间分辨光响应（I–t）曲线及指数拟合。(b) 250 nm 与 (c) 350 nm 光照下处理后器件在 0 V 至 −20 V 反偏下的 I–t 特性。(d) 250 nm 与 (e) 350 nm 光照下处理后器件的上升 / 下降时间随反偏压变化。(f) 脉冲激光高速瞬态响应测试装置示意图。(g) 原始与 (h) 处理后器件在 −10 V 偏压、193 nm 脉冲激光激发下的高速瞬态响应曲线及双指数衰减拟合。(i) 193 nm 脉冲激发下提取的瞬态时间常数（τr, τd1, τd2）随反偏电压变化。
图 6. (a) 接触前孤立 GaN 与 Ga₂O₃ 相对于真空能级的能带结构及参数。(b) 光照下原始器件的三维能带示意图。(c) 光照下处理后器件的能带图。
DOI ：
10.1088/1361-6463/ae6923
