论文分享
【会员论文】天津理工大学赵金石教授团队：基于氧空位工程的p-InP/Ga₂O₃异质结实现紫外近红外双波段自供电光电探测
日期：2026-04-14阅读：83
天津理工大学集成电路科学与工程学院、晶体材料国家重点实验室团队在学术期刊 Materials Science in Semiconductor Processing 发布了一篇名为 UV NIR Dual Band Heterojunction Photodetector Based on p-InP/Ga2O3 with Oxygen Vacancy Engineering 的文章。
作者团队：王良、刘翰鹏、王娟、何林安、弭伟、王迪、陈蓉蓉、周立伟、朱岩、李晓光、赵金石。
背 景
光电探测器是实现光电转换的核心器件，广泛应用于成像、光通信、遥感及国防领域。
紫外（UV）波段背景噪声极低且抗干扰能力强，近红外（NIR）波段光谱资源丰富，开发UV/NIR双波段探测器是下一代小型化、高集成探测系统的核心需求。
传统双波段探测器主要依赖MBE、MOCVD等复杂工艺，受限于晶格失配、成本高及良率低等问题。
通过将适用于紫外探测的宽禁带氧化镓（Ga₂O₃）与适用于近红外探测的窄禁带磷化铟（InP）进行异质集成，有望利用低成本磁控溅射技术实现双波段响应。
主要内容
本研究采用射频磁控溅射技术在 p-InP 衬底上沉积非晶 Ga₂O₃ 薄膜，通过氧空位（VO）工程协同调控薄膜缺陷与能带结构，成功构筑 p-InP/Ga₂O₃ 异质结光电探测器，实现零偏压下 UV NIR 双波段自供电探测。
1. 材料与器件制备
以高纯 Ga₂O₃ 为靶材，分别在 p InP 与 Al₂O₃ 衬底上溅射成膜；
调控溅射气氛条件：无氧（w/o O2）、通氧（w O2）、先通氧后无氧（w/o w O2）；
溅射 Ti/Pt 电极，完成异质结器件制备。
2. 结构与形貌表征
XRD 谱图与 Raman 光谱表征证实 Ga₂O₃ 为非晶结构；
AFM 形貌分析显示，通氧条件下薄膜平整度更高，表面粗糙度更低；
XPS 分析表明：无氧沉积氧空位浓度更高，通氧可显著降低氧空位缺陷比例。
3. 光电性能测试（零偏压）
254 nm 紫外：响应度 0.51 mA/W，上升时间 1.38 s，下降时间 0.08 s；
830 nm 近红外：响应度 0.31 mA/W，上升 / 下降时间均＜0.04 s；
综合性能最优器件为 w/o w O2 复合结构，兼顾低暗电流、高整流比与双波段响应。
4. 机理与应用验证
异质结为 I 型能带排列，由内建电场驱动载流子分离，实现自供电运行；
氧空位有效调控了载流子浓度与响应速率；
该器件成功应用于紫外 近红外双光信号光通信系统，实现二进制编码传输。
创新点
●材料体系创新：首次构建 p‑InP 与非晶 Ga₂O₃ 结合，在单一单体器件上实现了紫外-近红外（UV‑NIR） 双波段响应。
●工艺低成本优势：采用磁控溅射技术替代 MBE、 MOCVD 等复杂外延工艺，具有流程简便、成本低廉及易于规模化生产等显著优势。
●氧空位精准调控：通过溅射气氛的分段调控策略，实现了对氧空位浓度的精准平衡，在协同提升探测响应度的同时有效抑制了暗电流。
●自供电与双信道通信应用：器件可在零偏压下实现自供电工作，并成功应用于紫外-近红外双信道安全光通信系统。
结 论
本工作通过氧空位工程与简单磁控溅射工艺，成功制备 p‑InP/Ga₂O₃ 异质结光电探测器，实现零偏压下的紫外‑近红外双波段自供电探测。器件在 254 nm 与 830 nm 均展现出优异的响应性能、高开关比及快速的时间响应，验证了其在双波段光通信系统中的应用潜力。该工作为实现低成本、小型化双波段光电探测芯片提供了一种全新的技术路线。
项目支持
本研究得到以下项目资助：天津市科技重大专项（18ZXJMTG00230）、天津市重点研发计划（24YFXTHZ00200、24YFXTHZ00210）、天津市科技创新引导基金（25YDTPJC00310、25YDTPJC00320、25YDTPJC00350）。
图 1.Ga₂O₃薄膜的表征：(a) Ga₂O₃ 薄膜在 p-InP（100）衬底上的 XRD 图谱，(b) Ga₂O₃ 薄膜在 p-InP（100）衬底上的拉曼散射光谱。(c) Ga₂O₃ 薄膜的光学透射光谱。插图为 Ga₂O₃ 薄膜中 (αhʋ)2 随光子能量hν的变化曲线（Tauc 图）。
图 2. XPS 表征：分别为“w/o O₂”和“w O₂”Ga₂O₃ 薄膜样品的O 1s (a, b) 及Ga2p3/2(c, d) 芯能级谱。
图 3.所制备光电探测器（PDs）在暗态、254 nm 及830 nm 波长光照下的I−V特性曲线： (a) “w/o O₂ PD”, (b) “w O₂ PD”, (c) “w/o-w O₂ PD”。以及对应的所制备光电探测器在不同波长(254 nm and 830 nm)光照下的时间响应特性（瞬态特性）： (d) “w/o O₂ PD”,(e) “w O₂ PD” , and (f) “w/o-w O₂ PD”。
图 4. p-InP/a-Ga₂O₃ 异质结截面载流子传输示意图。(a)异质结形成前的能带图；“w/o O₂ PD”, “w O₂ PD” 和“w/o-w O₂ PD”分别在正向偏压(b, c, d)和反向偏压(e, f, g)下的能带图；“w/o O₂ PD” (h), “w O₂ PD” (i) 和 “w/o-w O₂ PD” (j)在零偏压以及紫外（UV）和近红外（NIR）光照下的能带图
图 5. 光通信信号处理（计算）过程示意图。(a) 两种光照模式下的三个运行周期：模式1：暗态 →830 nm → (254 nm + 830 nm)共同光照→ 830 nm →暗态；模式2：暗态→ 254 nm → (254 nm + 830 nm) 共同光照→ 254 nm →暗态。(b) 光通信应用示例。
DOI：
doi.org/10.1016/j.mssp.2026.110657
