【会员论文】AOM丨浙江理工郭道友副教授&南邮唐为华教授&复旦方志来教授团队：通过硒诱导价带调制增强氧化镓日盲光探测器的载流子传输与光响应

        由浙江理工大学郭道友副教授、南京邮电大学唐为华教授、复旦大学方志来教授等人的研究团队在学术期刊 Advanced Optical Materials 发布了一篇名为 Enhanced Carrier Transport and Photoresponse in Ga₂O₃ Solar-Blind Photodetectors via Se-Induced Valence Band Modulation（通过硒诱导价带调制增强 Ga₂O₃ 日盲光探测器的载流子传输与光响应）的文章。

        日盲紫外光探测器在航天探测、信息安全与通信等领域具有重要价值，而 β-Ga₂O₃ 由于其约 4.9 eV 带隙、仅响应日盲波段以及优异的抗辐照与化学稳定性，被认为是最具潜力的材料之一。但其先天的载流子浓度低、迁移率低，导致光响应弱、响应/恢复速度慢，严重制约器件性能。为提升其光电性能，传统 n 型掺杂（如 Si、Ge、Sn）虽能提供有效电子传输，但 p 型掺杂始终存在瓶颈：价带由局域化的 O 2p 轨道主导，导致空穴质量大、迁移率极低，使得 Zn、Mg 等 II 族元素虽被尝试，却因高形成能与深受主能级而难以实现稳定 p 型导电。因此，研究者开始从价带工程出发，通过 O 2p 轨道杂化来改善空穴局域化。其中，Se 由于与 O 具有相近电负性和原子尺寸，能稳定替代氧并与 O 2p 产生有效杂化，被理论与实验证明能引入新的价带结构，使 p 型趋势更可控，也优于易引发相不稳的 Ir 掺杂。尽管已有 MBE 合成 p 型 Ga₂(Se_xO_1-x)₃ 的报道，但其缺陷调控机理、能带演化规律及在日盲探测器中的光电性能仍缺乏系统实验验证。基于此，本研究通过 PECVD 制备不同 Se 掺杂比例的 β-Ga₂(Se_xO_1-x)₃ 薄膜，结合第一性原理揭示能带结构调控机制，并构建 MSM 结构的日盲探测器，对比无掺杂器件，验证 Se 掺杂在响应度及光电转换效率方面的显著提升，以期为高灵敏、快速响应的日盲 UV 探测器提供材料与机理基础。

        Ga₂O₃ 具有宽带隙以及优异的物理和化学稳定性，在日盲区紫外探测器领域受到广泛关注。然而，本征 Ga₂O₃ 器件通常面临响应速度慢、响应度弱等问题，严重限制其实际应用。通过掺杂杂质可以调控 Ga₂O₃ 的电子结构，促进载流子的复合与传输，从而提升其光电性能。

        在本研究中，通过引入不同比例的 Se 掺杂，实现了将 Ga₂O₃ 的带隙从 4.97 eV 连续可调至 4.59 eV。掺杂后的器件光探测性能显著优于本征 Ga₂O₃。在 254 nm 波长、5 V 偏压下，β-Ga₂(Se_xO_1-x)₃ 紫外探测器的响应度达到 0.78 A·W^-1，是纯 Ga₂O₃ 器件的 10 倍。其上升和下降时间分别为 63 ms 和 186 ms，也明显快于纯 Ga₂O₃ 器件的 182 ms 和 135 ms。

        Se 掺杂通过调控 Ga₂O₃ 的价带结构、缩小带隙并增强载流子传输，从多个方面共同提升了探测器性能。本研究首次展示了高性能 Se 掺杂 Ga₂O₃ 紫外探测器，并为下一代日盲光子器件的设计提供了重要参考与启发。

        ● 首次通过 Se 掺杂调控 β-Ga₂O₃ 的电子结构，实现日盲紫外探测器性能显著增强。

        ● Se 原子取代 O 位点，重构价带，使 Ga₂O₃ 带隙连续可调（4.97 → 4.59 eV），同时增强载流子传输。

        ● 掺杂器件在 254 nm 波长下响应度高达 0.78 A·W⁻¹，上升/衰减时间 63/186 ms，显著优于纯净 Ga₂O₃，为下一代日盲 UV 探测器设计提供理论和实验参考。

        采用 PECVD 成功制备了具有不同 Se/O 摩尔比的 β-Ga₂(Se_xO_1-x)₃ 薄膜。实验结果与第一性原理计算均表明，Se 掺入 β-Ga₂O₃ 后可有效调控其电子结构，使带隙在 4.59–4.97 eV 范围内实现连续可调。与本征 Ga₂O₃ 器件相比，基于β-Ga₂(Se_xO_1-x)₃ 的 MSM 结构日盲 UV 探测器表现出更高的光响应性能，在 254 nm 下的响应度达到 0.78 A·W^-1，并具有 63/186 ms（上升/衰减）的快速光响应时间。因此，Se 掺杂能够有效重构 Ga₂O₃ 的价带结构，增强空穴活性并整体提升器件的光电探测性能。高性能的 Se 掺杂 Ga₂O₃ 探测器为日盲 UV 探测技术的发展提供了重要的理论与实验基础。

        本研究得到以下项目的资助：国家自然科学基金联合基金（编号 U23A20349）、杭州市自然科学基金（编号 2024SZRZDF040001）、国家自然科学基金（编号 62274148、62304205 和 62374147），以及浙江理工大学校内科研基金（编号 24062240-Y）。

图 1. β-Ga₂(SeₓO₁₋ₓ)₃ 薄膜表征：a–g）表面形貌 SEM 图；h–o）截面 SEM 图；p）Ga、Se、Al 和 O 的 EDS 元素分布图；q）薄膜厚度随 Se/O 摩尔比的变化关系。

图 2. β-Ga₂(SeₓO₁₋ₓ)₃ 薄膜表征：a）XRD 图谱；b）（603）衍射峰的放大图；c）衍射峰的半高宽（FWHM）；d）XPS 全谱；e）Se 3d 的 XPS 能谱；f）基于 O 1s XPS 的 O_II 和 O_III 物种的定量分析。

图 3. β-Ga₂(SeₓO₁₋ₓ)₃ 薄膜表征：a）紫外–可见光吸收光谱；b）Tauc 图；c）价带顶（VBM）能谱；d）第一性原理计算的能带结构；e）能带结构示意图。

图 4. β-Ga₂(SeₓO₁₋ₓ)₃ 光探测器（PDs）：a）I–V 曲线；b）光暗电流比（PDCR）；c）响应度 R、比探测率 D* 和外量子效率 EQE；d）不同偏压下的 I–t 曲线。β-Ga₂(Se₀.₁O₀.₉)₃ 光探测器：e）不同光强下的 I–t 曲线；f）不同电压下的光电流 I_photo；g、h）计算得到的响应时间；i）所有样品的响应时间统计。

图 5. β-Ga₂(SeₓO₁₋ₓ)₃ 薄膜表征：a）PL 光致发光光谱；b）PL 峰拟合与原子结构模型；c）拟合峰位置的变化；d）拟合得到的 PL 峰在能带中的位置示意。

DOI：

doi.org/10.1002/adom.202502393