【会员论文】内蒙古大学&南京邮电大学：构筑人工界面准电场-开辟氧化镓光电探测器性能提升新路径

        由内蒙古大学刘增研究员与南京邮电大学唐为华教授团队在光学学术期刊 Laser & Photonics Reviews 发布了一篇名为 Artificial Interfacial Quasi-Electric Field: A Pathway to Promote Ga₂O₃ Photodetectors（人工界面准电场：提升氧化镓探测器的路径）的文章。

        本研究工作得到了国家自然科学基金（项目编号：62204125, 62564011, U23A20349），内蒙古自治区“英才兴蒙”工程-引进高层次人才科研支持（21700-252904），内蒙古大学“骏马计划”高层次人才引进项目（10000-A24199006），内蒙古自治区高校创新团队发展计划（NMGIRT2503），苏州市重点产业技术创新项目（SYG2024003）以及江苏省“双创团队”项目（JSSCTD202351）等基金的资助。

        第四代半导体氧化镓（Ga₂O₃）以其~4.8 eV的超宽禁带，成为构筑日盲紫外光电探测器的理想材料，在空间通信、火焰预警和环境监测等领域具有重要应用前景。然而，无论是光电导型还是肖特基结型探测器，其性能往往受限于材料本征缺陷、界面态密度以及有限的载流子分离效率，导致暗电流偏高、响应度不足和响应速度慢等瓶颈问题。因此，如何超越材料本身的限制，从器件物理层面系统性地提升综合性能，是当前该领域面临的核心挑战。

        本篇综述文章不再局限于单一材料或工艺的优化，而是从器件物理的根本出发，系统性地提出并论证了“人工界面准电场”（Artificial Interfacial Quasi-Electric Field）作为提升Ga₂O₃基结型光电探测器性能的核心调控路径。该“准电场”本质上源于半导体异质结、同质结或相结界面两侧因费米能级差异而形成的内建电场（Ebuilt-in）。

        文章深入剖析了这一界面场的形成机理、能带结构调控（I/II/III型异质结）以及其对载流子输运过程的关键影响。在此基础上，综述详细梳理了近年来研究者如何通过构筑不同类型的界面，在以下五个核心性能维度上取得突破性进展：

        降低暗电流：通过构建高质量界面势垒，有效抑制载流子的热激发与隧穿，将暗电流降低数个数量级，为高信噪比探测奠定基础。

        提升响应度：强大的界面电场能够高效分离光生电子-空穴对，抑制其复合，从而显著提高光电转换效率和器件响应度。

        加快响应速度：界面电场加速了载流子的漂移过程，缩短了其渡越时间，使器件响应速度从毫秒级提升至微秒乃至纳秒级。

        拓宽探测带宽：通过与窄带隙半导体（如Si, MoS₂, BP等）构建异质结，利用不同材料的光吸收特性，成功将Ga₂O₃探测器的响应范围从日盲紫外区拓展至可见光乃至红外波段。

        实现雪崩增益：在精心设计的PIN或多层异质结结构中，利用高反向偏压下界面处的强电场引发载流子的碰撞电离，实现了雪崩倍增效应，赋予探测器单光子级别的探测潜力。

        此外，文章还前瞻性地讨论了通过铁电极化场与内建电场耦合、同质结/相结的构建等前沿策略，为实现更高性能的自供电、智能化光电器件提供了新思路。

        提出统一的设计范式：将“人工界面准电场”作为统一的设计原则，系统阐释了其在调控Ga₂O₃基结型光电探测器五大核心性能（暗电流、响应度、速度、带宽、增益）中的普适性与关键作用。

        构建全面的性能优化路径图：综述全面总结了通过界面工程（如能带对齐、界面钝化、结构设计等）来优化界面电场的具体策略，为研究者提供了清晰、系统的技术路线图。

        展望器件发展未来方向：不仅系统回顾了已有进展，更对基于界面场调控的雪崩探测、宽谱探测、同质结器件以及与CMOS工艺的集成等未来发展方向进行了深刻展望，指明了该领域的前沿挑战与机遇。

        本综述系统阐明，器件的性能表现是材料本征性质与界面工程协同作用的结果，精心设计的界面在突破性能瓶颈、提升器件上限方面扮演着至关重要的角色。“人工界面准电场”是调控结型Ga₂O₃光电探测器载流子动力学的核心物理机制，为实现低噪声、高灵敏、高速、宽谱及高增益的下一代日盲紫外探测器提供了根本性的设计思路。该工作为后续开发晶圆级、高集成度的Ga₂O₃基智能光电传感系统奠定了重要的理论基础。

图1. 通过构筑人工界面提升Ga₂O₃光电探测器性能的核心优势示意图。该策略系统地优化了器件的暗电流、响应度、响应速度、探测带宽及雪崩增益。

图2. 内建电场的形成机理。图(a-c)展示了异质结的三种基本类型。对比半导体接触前(d)与接触后(e)的能带图可见，费米能级的对齐引发了界面处的能带弯曲，这一过程自发地构筑了“人工界面准电场”，是实现高效载流子分离的关键。

图3. 通过结构设计优化界面场，实现高速光电响应。

图4. 高级界面场工程：内建电场与铁电极化场的协同增强效应。

图5. 基于氧化镓的日盲紫外光电探测器在前沿领域的潜在应用，涵盖了光通信、成像传感、火焰探测和神经形态视觉传感等。

DOI:

doi.org/10.1002/lpor.202501855