【国内论文】广东工业大学：基于局部表面等离子体共振驱动氧化镓光探测器实现71.9%电子量子效率：从光伏增强到多功能光电逻辑门集成

        由广东工业大学的研究团队在学术期刊 Materials Today Physics 发布了一篇名为 Localized Surface Plasmon Resonance-Driven 71.9 % EQE in Ga₂O₃ Photodetectors: From Photovoltaic Enhancement to Multifunctional Optoelectronic Logic Gates Integration（基于局部表面等离子体共振驱动的 Ga₂O₃ 光探测器实现 71.9% 电子量子效率：从光伏增强到多功能光电逻辑门集成）的文章。

        本研究得到松山湖材料实验室开放基金[2023SLABFK01]、广州市科技计划项目[2025A04J3852]、国家自然科学基金[62004229, 62204270]以及福建省自然科学基金项目[2024J01251]的资助。

        β-氧化镓（β-Ga₂O₃）因其超宽禁带，是制造日盲深紫外（DUV）光电探测器的理想材料。然而，Ga₂O₃ 基探测器面临一个核心瓶颈——外量子效率（EQE）普遍较低。 这主要是因为 Ga₂O₃ 具有较大的激子束缚能和较短的载流子扩散长度，导致光生电子-空穴对在被电极收集前就很容易发生复合，从而限制了光电转换效率。因此，开发一种能够有效促进光生载流子分离、抑制复合的策略，对于提升 Ga₂O₃ 探测器的性能至关重要。局域表面等离激元共振是一种能够增强光与物质相互作用的有效物理效应，有望解决上述难题。

        具有双带响应特性的 Ga₂O₃ 基光探测器在实现数字计算和安全通信中的多功能光电逻辑门（OELG）方面具有巨大潜力。本研究设计了基于 PEDOT:PSS/Pt NPs/Ga₂O₃/GaN 的有机-无机杂化异质结结构，旨在突破传统 Ga₂O₃ 异质结光探测器在零偏压下的性能瓶颈，并实现单器件集成多种逻辑运算功能。在 254 nm 光照与 0 V 偏压条件下，通过铂纳米粒子嵌入 PEDOT:PSS/Ga₂O₃ 界面产生的局域表面等离子体共振效应，器件实现约 71.9% 的超高外部量子效率（EQE）。十二个额外器件的统计数据显示中位数 EQE 达 71.3%。施加外部偏压时，该光探测器在 UVC 和 UVA 波段展现可调谐双波段响应。通过编程偏压电压与光输入，单一单元内可实现六种可重构逻辑功能（NOR，NOT，NAND，XNOR，OR 和 AND），展现其在并行光计算领域的应用潜力。此外，基于这些 OELG 构建的加密通信系统验证了其在安全数据传输中的应用价值——双波段信号可实现动态编码与解码。

        ● 设计出采用铂纳米颗粒（NPs）的有机-无机杂化 Ga₂O₃ 探测器。

        ● Pt NPs 的 LSPR 效应是性能提升的关键。

        ● 在单个 Ga₂O₃ 异质结内实现了六种逻辑运算。

        ● 在 Ga₂O₃ 光电逻辑门中演示了加密-解密过程。

        在 PP-Pt/Ga₂O₃/GaN 光探测器的 PP/Ga₂O₃ 界面嵌入 Pt 纳米颗粒可诱导局域表面等离子体共振效应，从而增强光捕获效率和载流子动力学特性。由此在零电压工作条件下实现约 5.4 × 10¹¹ Jones 的高 D* 值、148.30 mA W⁻¹ 的响应度及 71.9% 的有效量子效率。Pt 纳米颗粒贡献的局域表面等离子体共振效应不仅限于零偏压增强，更在整个工作电压范围内持续提升性能。这些卓越指标使单个光电逻辑门（OELG）内实现六种可重构逻辑功能成为可能。通过调节外部偏压以定制能带对齐与照明条件，成功实现了 NOR，NOT，NAND，XNOR，OR 与 AND 的逻辑运算。等离子体增强与偏压调控载流子动力学的协同效应，为单器件实现片上光计算铺平道路。基于该逻辑门的加密通信协议实证进一步验证了其在安全数据传输系统中的应用潜力。这些成果不仅彰显了 Ga₂O₃ 异质结在低功耗多功能光电子器件领域的应用前景，更为新一代高性能逻辑器件提供了创新设计策略。

图1. PP-Pt NPs/Ga₂O₃/GaN 器件制备流程示意图。

图2. (a) 沉积在 n 型 GaN 衬底上的 β-Ga₂O₃ 薄膜的XRD衍射图谱。(b) Ga 3d和O 1s核心能级的XPS高分辨谱图。(c) O 1s（核心能级）高分辨 XPS 光谱及其峰值去卷积结果。(d) β-Ga₂O₃ 薄膜的XPS价带扫描光谱。(e) Ga₂O₃ 薄膜的吸收光谱。插图显示了带隙估算结果。(f) Pt/Si 阶梯结构的原子力显微镜形貌图及线扫描分析。(g) 750℃热退火Pt薄膜衍生的Pt纳米颗粒的扫描电子显微镜图像。(h) 纳米颗粒尺寸统计。(i) PP-Pt NPs/Ga₂O₃/GaN异质结的截面扫描电子显微镜图像。

图3. (a) PP-Pt/Ga₂O₃/GaN 器件在暗环境下的 I-V 特性曲线。插图为器件结构示意图。(b) 该器件在 UVC 照射与暗环境下的 I-V 曲线。(c) 器件在 365 nm 和 254 nm 光照下不同偏压电压下的响应度(R)。(d) 0 V 偏压下周期性 UVC 照射(4.41 μW mm⁻²)条件下的多周期 I-T 曲线。(e) 不同光学功率下 UVC 照射的 I-V 曲线。(f) ISC 与光功率密度关系曲线。(g) 响应度与光功率密度依赖性及 PDCR 特性。(h) 衰减时间与上升时间随光功率密度变化规律。(i) D* 与光功率密度关联关系。

图4. PP-Pt NPs/Ga₂O₃/GaN（PD1）与 PP/Ga₂O₃/GaN（PD2）器件的光电性能对比。器件在暗态（a）及深紫外照射下（b）的电流密度（J）与电压（V）曲线。（c）器件在不同电压下的 PDCR 变化曲线。(d) 器件在 -1V、0V 和 1V 偏压下的深紫外至紫外阻隔比（R_254nm/R_365nm）。(e) 器件在 0V 偏压下经周期性 254nm 光（功率密度 0.35mW cm⁻²）照射的多周期 I-T 曲线。(f) 0 V 偏压下，两种器件在不同功率强度深紫外照射下的有效量子效率。(g) 接触前各材料的能带图及接触后形成的异质结能带图。

图5. 13 个独立 PP-Pt NPs/Ga₂O₃/GaN器件的 (a) D*值、(b) 有效量子效率 (EQE)、(c) 阻抗 (R)、(d) 动态寿命 (τ_d) 以及 (e) R_{254 nm}/R_{365 nm}比值。(f) 13个器件性能参数的统计分布。(g) 初始量子效率为 71.9% 的 PP-Pt NPs/Ga₂O₃/GaN 器件长期性能稳定性测试。

图6. (a) 逻辑门示意图。(b) 六种逻辑门的真值表。以及 (c) OR逻辑门，(d) AND 逻辑门，(e) XNOR 逻辑门，(f) NOR 逻辑门，(g) NOT 逻辑门，(h) NAND 逻辑门的演示。

图7. (a) 采用XNOR加密双频信号处理的安全光通信示意图。 (b) “GDUT”加密通信示意图。

DOI：

doi.org/10.1016/j.mtphys.2025.101886