【国内论文】中国科学院重庆绿色智能技术研究所：Ga₂O₃ 深紫外光电探测器：材料、器件结构及性能前沿

        由来自中国科学院大学的研究团队在学术期刊ACS Applied Electronic Materials发布了一篇名为Ga₂O₃ Deep-Ultraviolet Photodetectors: Materials, Device Architectures, and Performance Frontiers（Ga₂O₃ 深紫外光电探测器：材料、器件结构及性能前沿）的文章。

        本研究得到重庆市自然科学基金（编号：2025NSCQ-LZX0054）和重庆市自然科学基金创新发展联合基金（编号：CSTB2024NSCQ-LZX0022）资助。

        工作于日盲区域（200-280 nm）的深紫外（DUV）光电探测器在国防、太空探索、环境监测、火焰探测和安全光通信领域至关重要。硅基光电探测器因带隙窄不适用于日盲深紫外探测。在超宽禁带半导体中，氧化镓（Ga₂O₃）凭借本征宽禁带、可见光盲响应、高击穿电场和可规模化生长工艺兼容性成为核心材料体系。Ga₂O₃具有多晶型特性，β-Ga₂O₃是热力学最稳定的相，适用于器件应用。但该材料仍面临难以同时实现超高响应度与快速时间响应、氧空位与空穴陷阱调控困难、工业化制备难度大等挑战。

        工作在日盲区域（200–280 nm）的深紫外（DUV）光电探测器，在国防、太空探索、环境监测、火焰探测以及安全光通信领域具有至关重要的意义。在超宽禁带半导体中，氧化镓（Ga₂O₃）凭借其宽本征带隙、可见光盲响应、高击穿电场以及可规模化生长技术的兼容性，成为主流材料体系。该团队对基于 Ga₂O₃的深紫外光电探测器进行了全面、系统的分析，涵盖纳米结构器件、金属–半导体–金属结构、结型光电二极管、雪崩光电探测器以及场效应晶体管型光电探测器。重点阐述了结构–性能–效能关系、内在物理机制，以及决定响应度、探测率、增益和响应速度的关键权衡关系。

        ● 首次将 β-Ga₂O₃深紫外光电探测器系统划分为五大典型器件结构：纳米结构型、MSM 型、结型、雪崩型和场效应晶体管型。

        ● 阐明不同器件构型的结构 - 性能 - 效能关系，以及响应度、响应速度、噪声和稳定性之间的本征权衡规律。

        ● 总结各类 β-Ga₂O₃光电探测器的增益机制，包括表面陷阱辅助增益、内建电场分离、雪崩碰撞电离和栅控光栅效应。

        ● 指出缺陷调控、p 型掺杂难题、规模化制备等核心挑战，并提出兼顾性能均衡优化的未来发展方向。

        该团队全面梳理了β‑氧化镓（β‑Ga₂O₃）基深紫外光电探测器在多种器件结构方面的最新研究进展，包括纳米结构光电探测器、金属–半导体–金属器件、结型光电二极管、雪崩光电探测器以及场效应晶体管光电探测器。β‑Ga₂O₃光电探测器之所以受到越来越多的关注，得益于其本征日盲响应、低暗电流，以及适用于民用与国防技术相关的通信、成像和恶劣环境传感等应用场景。

        该团队得出的核心结论是：光电探测器的性能从根本上由其内在增益机制和器件结构决定，而非仅取决于材料选择。纳米结构器件与基于场效应晶体管的光电探测器主要通过表面态辅助或栅控光栅效应实现超高响应度；而金属–半导体–金属结构与结型光电探测器则侧重界面调控的载流子分离，具备更优的稳定性、更快的响应速度以及自供电工作能力。

        雪崩光电探测器属于独特的类型，通过电场驱动的碰撞电离实现高内部增益，同时具备相对较快的时间响应，并降低对表面陷阱的依赖。尽管研究已取得显著进展，但由于响应度、响应速度、噪声、工作电压与器件稳定性之间存在本征权衡关系，β‑Ga₂O₃光电探测器的性能优化、器件稳定性仍面临多维度挑战。

        例如，尽管场效应晶体管（FET）光电探测器可通过栅压调制实现创纪录的高响应度，但这类性能往往以牺牲响应速度和长期稳定性为代价。相比之下，β‑氧化镓（β‑Ga₂O₃）雪崩光电探测器（APD）能够提供增益与速度更为均衡的组合，尽管通常需要更高的工作电场或偏置电压。要推动 β‑Ga₂O₃光电探测器走向实际应用，必须解决若干关键挑战，包括缺陷与界面态的精准调控、高质量异质结的可规模化制备，以及长期存在的稳定 p 型 β‑Ga₂O₃实现难题 —— 这一问题目前限制了同质结器件的发展。界面工程、介质集成与能带结构设计方面的进展，预计将在克服这些限制上发挥决定性作用。

        展望未来，β‑Ga₂O₃光电探测器的持续发展有望受益于融合多种增益与调控机制的混合设计策略，例如将结型载流子分离与栅压调制或雪崩倍增相结合。未来研究不应追求单一性能指标的极致，而应针对具体应用需求开展均衡化优化。随着材料生长与器件工程技术的不断进步，β‑Ga₂O₃将继续作为下一代日盲型深紫外光子器件的核心材料平台。

        响应速度慢、氧缺陷 / 表面缺陷以及工业化可重复性差是研究者目前面临的主要问题；诸多解决方案已被尝试，例如在衬底上制备二氧化硅（SiO₂）氧化物层，以及锡（Sn）、锗（Ge）、钨（W）合金掺杂，这些方法有望解决上述问题。此外，场效应晶体管（FET）光电探测器等结构的研究尚浅，在器件性能提升与优化方面仍有巨大潜力。

图 8 (a),(b) β−Ga₂O₃/MgO/Nb:STO n−B−n 雪崩光电探测器示意图；(c) 不同 MgO 厚度下的 I−V 曲线；β−Ga₂O₃/AlN/Si n−B−n 雪崩光电探测器。(d) 不同电压与光强下的响应度

DOI：

doi.org/10.1021/acsaelm.6c00124