【国内论文】Opt. Laser. Technol.丨广东工业大学：负载Pt纳米颗粒的β-Ga₂O₃/n-GaN日盲紫外光电探测器及其在可重构光电逻辑门中的应用

        由广东工业大学的研究团队在学术期刊 Optics & Laser Technology 发布了一篇名为 Pt Nanoparticle–Decorated β-Ga₂O₃/n-GaN Solar–Blind UV photodetectors with enhanced photoresponse for reconfigurable optoelectronic logic gates（负载铂纳米颗粒的 β-Ga₂O₃/n-GaN 日盲紫外光电探测器及其在可重构光电逻辑门中的应用）的文章。

        波长短于 280 nm 的太阳辐射会被大气臭氧层强烈吸收，无法到达地面，形成所谓的日盲波段。 在这一波段进行探测可以实现零背景噪声干扰，具有信噪比高、误报率低等显著优势。 因此，SBUV 探测在环境监测、导弹追踪、火焰探测和近地保密通信等领域具有极高的应用价值。氧化镓（Ga₂O₃）凭借其超宽禁带、高击穿场强和优异的化学稳定性，被认为是制造日盲探测器的理想材料。 虽然 MOCVD、PLD 和 MBE 等技术可以生长高质量的氧化镓薄膜，但这些方法通常需要昂贵的真空设备。 相比之下，利用商用 GaN 衬底通过热氧化法制备 β-Ga₂O₃/n-GaN 异质结具有极高的成本效益。由于 GaN 与 Ga₂O₃ 之间的热膨胀系数差异，在高温热氧化过程中，界面处容易产生应力和位错。 这些缺陷态会成为载流子的复合中心或陷阱中心，从而降低探测器的光响应能力。为了补偿界面缺陷带来的损失，引入金属纳米颗粒（NPs）激发 LSPR 特效成为一种关键策略。 传统的贵金属 LSPR 峰通常位于可见光区，而铝（Al）虽有紫外响应但易被氧化。 铂（Pt）因其较高的体等离激元频率，能在 200-250 nm 的日盲紫外区产生稳定的 LSPR 效应，且化学性质极其稳定。

        在本研究中，通过原位热氧化工艺制备了经铂纳米颗粒（NPs）修饰的 β-Ga₂O₃/n-GaN 异质结。所得日盲紫外（SBUV）光探测器的性能因铂纳米颗粒的局域表面等离子体共振（LSPR）效应而得到提升。在零偏压与 254 nm 光照条件下，高比例（≥90.4%）小尺寸（直径 ≤ 80 nm）Pt 纳米粒子修饰的器件展现出更高的响应度（3.2 mA W^-1）和更大的 D* 值（8.7 × 10¹⁰ Jones），优于未修饰 Pt 纳米粒子的器件。随着较大尺寸（> 80 nm）Pt 纳米颗粒比例增加，Pt/β-Ga₂O₃ 界面发生电荷重分布，强化了缺陷相关持久光导效应（PPC），使器件工作模式从光伏模式切换至光导模式。此外，基于表面等离子体共振增强的 β-Ga₂O₃/n-GaN 异质结器件实现了可重构光电逻辑运算，包括 NOT、NAND、NOR、AND 及 OR 逻辑操作。本研究为短波紫外光电逻辑系统提供了高效解决方案，为开发低功耗、高集成度的短波紫外计算芯片奠定基础，在推进加密光通信、多光谱成像及仿生传感领域展现出巨大潜力。

        ● 通过一步热氧化原位形成含 Pt 纳米粒子的 Ga₂O₃/GaN 异质结。

        ● Pt 纳米粒子的局域表面等离子体共振效应显著提升异质结光探测器性能。

        ● 通过调节 Pt 纳米粒子尺寸实现器件工作模式切换。

        ● 在 Ga₂O₃/GaN 器件中成功实现五种光电逻辑门。

        通过对预沉积 Pt 薄膜的 GaN 衬底进行直接高温退火，构建了铂纳米粒子修饰的 β-Ga₂O₃/n-GaN 异质结，从而制备出高性能的 Pt/β-Ga₂O₃/n-GaN 短波紫外光探测器。与未经 Pt NPs 改性的器件相比，Pt NPs 改性器件在零偏压和 SBUV 照射下表现出更高的响应度、EQE 和 D*。其在光伏模式下的性能提升归因于 Pt 纳米粒子诱导的局域表面等离子体效应。随着 Pt/β-Ga₂O₃ 界面处大尺寸 Pt 纳米粒子比例增加，该界面缺陷相关的 PPC 效应增强，促使器件工作模式从光伏模式向光导模式转变。通过调控 Pt 纳米粒子尺寸实现器件工作模式的可控性，尤其是小尺寸纳米粒子赋能的高效光伏模式，为先进光电子电路设计奠定了关键基础。利用光伏模式下的 LSPR 增强效应，该异质结器件成功演示了五种可重构光电子逻辑门功能（NOT, NAND, NOR, AND, OR）。这些成果凸显了该研究在下一代短波紫外光子系统与计算领域的应用潜力，有望在加密通信、多光谱成像及仿生视觉等领域实现突破性应用。

        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）以及国家自然科学基金[62004229]的资助。

图1. 通过高温热氧化法制备 Pt 纳米粒子修饰的 Pt/β-Ga₂O₃/n-GaN 短波紫外光探测器的工艺示意图。

图2. (a) 不同样品中 Pt 纳米粒子的 SEM 形态及其对应的粒径分布统计；(b) 不同样品的 XRD 衍射图谱；(c) 不同样品中 β-Ga₂O₃ 层 (–201) 晶面的半高全宽 (FWHM) 对比；(d) 不同样品的截面 SEM 图像。标记为 S1、S2、S3 和 S4 的四种样品分别对应在 GaN 衬底上沉积厚度为 0（无 Pt 薄膜）、6.4、10.9 和 15.4 nm 的初始 Pt 薄膜后经热氧化处理的样品。(e) 未经 Pt NPs 修饰的蓝宝石衬底与不同 Pt NPs 覆盖率（>80纳米颗粒比例：9.6%、16.5%、17.2%）蓝宝石衬底的透射光谱对比。

图3. PD1、PD2、PD3 和 PD4 的光电性能对比。这些器件在暗态（a）及 254 nm 波长、4.9 μW 光功率照射下的 I-V 曲线（b）。光暗电流比（PDCR）（c）与短波紫外至紫外抑制比（R₂₅₄/R₃₆₅）（d）的电压依赖性。短波紫外照射下，经微米级 Pt NPs（e）与大尺寸 Pt NPs（f）修饰的 β-Ga₂O₃/n-GaN 异质结能带示意图。

图4. PD1 与 PD2 器件的光电性能对比：(a) PD1 和 (b) PD2 的功率依赖性 I-V 特性曲线。(c) 器件在不同光照强度下的 I_SC 变化及其拟合因子。(d) 器件光照强度对开路电压(V_OC) 的影响。器件在 6.7 μW 254 nm 光照下、分别施加 0 V 偏压 (e) 与 -1 V 偏压 (f) 时的 I-t 曲线。 (g) 周期性 254 nm 6.7 μW 光照下，PD2 器件在 0 V 偏压条件下光电流的稳定性与可重复性。

图5. PD3 与 PD4 器件的光电性能对比：(a) PD3 和 (b) PD4 的功率依赖性 I-V 特性曲线。(c) 在 -1 V 偏压下器件的光功率依赖性光电流，附带拟合曲线及拟合因子。(d) 在 -1 V 偏压下器件的多周期 I-t 曲线。

图6. 基于 Pt NP 修饰的β-Ga₂O₃/n-GaN异质结器件的可重构光电逻辑运算。演示五种基本逻辑门：(a) NOR, (b) NAND, (c) NOT, (d) AND, (e) OR。(f) 五种光逻辑门稳态光电流输出的总结真值表。原始稳态电流均为负值，因此纵轴上的电流范围和阈值区间均以绝对值表示。

DOI：

doi.org/10.1016/j.optlastec.2026.114937