【会员论文】北邮李培刚教授&南邮唐为华教授研究团队：光子晶体诱导Ga₂O₃日盲光电探测器中光-物质相互作用的增强与暗电流的抑制

        由北京邮电大学李培刚教授、南京邮电大学唐为华教授的研究团队在学术期刊 Laser & Photonics Reviews 发布了一篇名为 Photonic Crystals Induced Enhancement of Light-Matter Interactions and Dark Current Suppression for High-Performance Ga₂O₃ Solar-Blind Photodetectors（光子晶体诱导 Ga₂O₃ 日盲光电探测器中光-物质相互作用的增强与暗电流的抑制）的文章。

        本研究得到中国国家重点研发计划（Grant No. 2022YFB3605404）的支持， 国家自然科学基金委员会青年科学基金项目（Grant No. 62204125），中国国家留学基金委项目（Grant No. 202406470087）以及北京邮电大学优秀博士生基金项目（Grant No. CX20242038）。

        日盲（200–280 nm）光探测器因其在安全空间通信、生物研究、遥控、导弹探测系统等领域的广泛应用，吸引了大量关注和兴趣。Ga₂O₃ 具有 4.4–4.9 eV 的带隙，具备优异的化学和热稳定性，其吸收边界直接对应于日盲吸收范围，且无需通过掺杂或合金化处理进行带隙调制。这些特性使 Ga₂O₃ 成为日盲光电探测器最具潜力的候选材料之一。尽管基于 Ga₂O₃ 的日盲光探测器（SBPD）取得了重大进展，但传统平面结构仍面临吸收效率低、漏电流高的挑战，这主要归因于光吸收能力有限及异质外延工艺引入的内在缺陷。实现强光吸收、低暗电流、优异载流子迁移率及高灵敏度，仍是高性能 Ga₂O₃ 基 SBPD 面临的关键技术难题。因此，新型 Ga₂O₃ SBPDs 的开发已成为一个重要的研究课题。

        具有宽带隙的 Ga₂O₃ 已作为日盲光探测器（SBPD）的天然材料体系崭露头角。然而，其固有的弱光吸收能力和高暗电流限制了其实际应用。光子晶体因其卓越的光捕获能力，在推动高性能光电子器件发展方面具有巨大潜力。本研究提出了一种新型光子晶体纳米孔结构，旨在增强 Ga₂O₃ SBPD 中的光-物质相互作用。通过对纳米孔阵列进行全面设计、制备与表征，其对光-物质相互作用的影响得到了验证。纳米孔阵列的集成通过降低反射率和透射率、增强局部电场来提升光捕获效率，同时减少 Ga₂O₃ 光探测器的暗电流，从而实现卓越的光响应。通过精确调控纳米孔的周期、直径和深度，阐明了纳米孔阵列几何特征对器件性能的影响。所有器件中观察到的最高响应度为最高纪录 12474.01 A W⁻¹。本研究对 Ga₂O₃ 纳米孔阵列进行了全面分析，详细阐述了结构设计、基本物理机制及器件性能。这为开发基于 Ga₂O₃ 的先进光子晶体 SBPD 开辟了新机遇。

        Ga₂O₃ 光子晶体纳米孔结构通过降低反射率和透射率，同时大幅增强局部电场强度，实现了显著提升的光捕获效率。将 SBPD 与纳米孔阵列结构集成，旨在促进载流子分离、提升电子-光子耦合效率，从而实现更高的光电流、更快的响应速度及更高的灵敏度。对纳米孔阵列结构参数对器件性能的影响进行了全面阐述。纳米孔阵列的引入显著增强了光吸收，同时抑制了暗电流。具有更好光学局域化的光探测器展现出令人印象深刻的响应度为 1175.38 A W⁻¹ 和检测量为 2.14 × 10¹⁴ Jones，与原始器件相比呈现出显著提升。高响应度和特定检测度为纳米结构光电探测器在光捕获和光学操控方面的增强性能提供了有力证据。这项工作不仅展示了纳米孔结构在提升光电探测器性能方面的潜力，还为基于 Ga₂O₃ 的 SBPD 的开发开辟了新途径。

图1. a) 集成光子晶体纳米孔和 Ti/Au 电极的 Ga₂O₃ 光探测器的 3D 示意图。b) 反射率和透射率，c,d) z-x 截面电场，e,f) y-x 截面电场，适用于原始 Ga₂O₃ 薄膜和 Ga₂O₃ 光子晶体纳米孔。

图2. a) 制备工艺流程示意图。b) XRD衍射图谱，c) Ga₂O₃ 薄膜的高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）图像。d) 扫描电子显微镜（SEM）图像，e) 原子力显微镜（AFM）图像，f) 具有光子晶体纳米孔的 Ga₂O₃ 薄膜的截面 SEM 图像。g) 具有和不具有光子晶体纳米孔的 Ga₂O₃ 薄膜的吸收光谱。

DOI：

doi.org/10.1002/lpor.202500064