南京郵電大學&北京郵電大學：具有光子與能帶工程的各向異性Ga?O?納米光柵實現高靈敏度日盲光探測器

寬禁帶半導體技術創新聯盟 2025-10-10 17:26

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由南京郵電大學和北京郵電大學的研究團隊在學術期刊 Advanced Optical Materials 發布了一篇名為 Anisotropic Ga₂O₃ Nanograting with Photonic and Band Engineering Enables High-Sensitivity Solar-Blind Photodetectors（具有光子與能帶工程的各向異性 Ga₂O₃ 納米光柵實現高靈敏度日盲光探測器）的文章。

Part.1/ 項目支持

本研究工作得到了以下項目的資助：國家重點研發計劃（項目編號 2022YFB3605404）、南京郵電大學人才引進科研啟動基金（項目編號 XK1180924052）、江蘇省自然科學基金（項目編號 BK20250657）、中國國家留學基金委資助項目（項目編號 202406470087），以及北京郵電大學優秀博士研究生基金（項目編號 CX20242038）。

Part.2/ 背景

日盲紫外（200–280 nm）探測器在安全通信、環境監測和空間應用中具有重要價值。Ga₂O₃ 以其超寬禁帶、本征日盲吸收和高輻射耐受性成為理想材料之一，但其器件仍受表面缺陷導致的較大暗電流、光吸收效率低和偏振靈敏度不足的限制。納米結構設計，尤其是一維納米光柵，可在增強光吸收的同時調控載流子輸運，提升偏振響應，為高性能 Ga₂O₃ SBPDs 提供新方案。當前仍需深入研究金屬–納米結構界面對能帶調控及光生載流子輸運特性的影響，以指導器件性能優化。

Part.3/ 主要內容

基于 Ga₂O₃ 的日盲紫外光探測器具備本征的日盲吸收和耐輻射特性，但仍受限于表面漏電流、光子-載流子耦合效率不足以及偏振靈敏度較弱等問題。本文引入納米光柵光子結構，通過光子學與能帶工程調控載流子輸運特性。該設計增強了光子-載流子耦合，并調節界面能帶結構，從而增強光電導增益并抑制暗電流。納米光柵結構通過提升界面導帶能級有效降低暗電流，同時借助降低反射率和透射率來增強光吸收。其固有各向異性使器件無需外部光學元件或相位調控方法即可實現偏振響應。優化后的器件實現了超低暗電流（1.8 × 10^-14 A）、高響應度（174.8 A W^-1）、高比探測率（1.7 × 10¹⁴ Jones，提升達 1209.3%），以及高偏振比（570%），性能顯著優于傳統平面型 Ga₂O₃ 日盲光探測器（SBPDs）。本研究提出了一種基于光子–電子共設計的新策略，實現了高靈敏度、低噪聲且具優異偏振響應的日盲光探測器。

Part.4/ 結論

總結而言，本研究揭示了 Ga₂O₃納米光柵在光電探測器中實現光–物質相互作用增強與載流子輸運調控的作用機制。該策略通過界面勢壘調控與納米結構設計的光管理，有效解決了響應度與暗電流之間的權衡。通過提升接觸勢壘，暗電流被降低至超低水平 1.8 × 10^-14 A。納米光柵同時通過降低反射率和透射率增強光吸收，從而提升光響應。此外，其固有各向異性使器件無需依賴外部光學元件或相位調控技術即可實現高效偏振響應。該器件表現出卓越性能，其比探測率達 1.7 × 10¹⁴ Jones，光響應度為 174.8 A W^-1，并具有高分辨率偏振靈敏性，體現了器件性能的提升。本研究將光子學設計原理與寬禁帶半導體電子學相結合，為下一代光電子系統及未來應用奠定了基礎。

圖 1. a) 帶有 Ga₂O₃ 納米光柵的光電探測器示意圖。b) 模擬能帶結構圖。插圖顯示提取的橫向電子分布。c) 光生成速率，d) 反射率、透射率與吸收率，e,f) Ga₂O₃ 薄膜和 Ga₂O₃ 納米光柵的吸收率隨偏振角變化曲線。

圖 2. a) β-Ga₂O₃ 薄膜的 XRD 圖。b) (-201) 衍射峰的搖擺曲線。c) β-Ga₂O₃ 薄膜的 HRTEM 圖像。d) β-Ga₂O₃ (-201) 晶面的原子排列。Ga₂O₃納米光柵的 SEM 圖像：(e) 平面圖,(f) 橫截面圖。g,h) Ga₂O₃ 薄膜和 Ga₂O₃ 納米光柵的紫外吸收光譜。