【会员论文】ASS丨桂林电子科技大学张法碧教授&宁波大学&北邮&南邮团队：β-Ga₂O₃/GeO₂ 异质结的晶格取向优选双波长

        基于 β-Ga₂O₃ 异质结的日盲光电探测器在下一代多功能光电子器件中潜力巨大，但超宽禁带 β-Ga₂O₃ 缺乏禁带匹配的搭配材料，导致传统异质结器件出现非期望的带外吸收与宽谱响应。本研究将六方 GeO₂ 与 (-201)、(310) 取向 Ga₂O₃ 结合构筑异质结，开发高性能双波长日盲探测器。

        基于 β-Ga₂O₃ 异质结的日盲光电探测器（SBPDs）在下一代多功能光电子器件的发展中展现出巨大的应用潜力。然而，超宽禁带半导体 β-Ga₂O₃ 缺乏禁带匹配的搭配材料，导致传统异质结日盲光电探测器出现不期望的带外吸收和宽谱响应。本文将六方 GeO₂ 与 (-201) 和 (310) 取向的 Ga₂O₃ 相结合构筑异质结构，用于研发高性能双波长日盲光电探测器。相对于本征 β-Ga₂O₃ 器件，(310) 取向 β-Ga₂O₃/GeO₂ 异质结日盲光电探测器的光电响应特性显著提升，在 254 nm 和 213 nm 处光暗电流比分别提高 15 倍和 100 倍，外量子效率提升超过 4 个数量级。这些优异性能主要归因于 Ga₂O₃ 与 GeO₂ 薄膜界面更有利的 II 型能带排列，形成有效内建电场（电势差约 42.2 meV），促进载流子分离与输运。基于 (310) 取向异质结日盲光电探测器，成功在双日盲波长下实现二进制编码光信号传输以及基于偏压和光输入的可重构光电子逻辑门。所提出的工程化 β-Ga₂O₃/GeO₂ 异质结构为开发用于规模化日盲成像 / 处理技术的高性能日盲光电探测器提供了通用路径。

        ● 实现 (-201)/(310) 双取向 β‑Ga₂O₃/GeO₂ 异质结，获得 213 nm/254 nm 双波长日盲响应。

        ●(310) 取向异质结形成 II 型能带、强内建电场，载流子分离效率大幅提升。

        ●光暗电流比、外量子效率、探测率等关键性能实现数量级提升。

        ●成功实现日盲波段光逻辑运算与二进制光信号传输。

        本文成功设计并制备 Ga₂O₃/GeO₂ 异质结日盲光电探测器，系统揭示 β-Ga₂O₃ 薄膜 (-201) 与 (310) 晶面对异质结器件性能的影响。两种异质结均形成 II 型能带排列与明显内建电场，G3S40 与 G2S40 界面由 Ga₂O₃ 向 GeO₂ 的有效电荷转移量分别约为 0.59 e 与 0.02 e。内建电场高效分离光生载流子，显著提升 254 nm 与 213 nm 光响应；其中 G3S40 器件性能更优，在 254 (213) nm 处光暗电流比达 2.4×10⁴(1.5×10⁵)、外量子效率为 275 (538.96) %、响应度为 4.7×10⁻¹(0.97) A W⁻¹、探测率为 2.1×10¹²(1.99×10¹³) Jones。依托优异探测性能，G3S40 器件可有效实现可重构 “AND”“OR” 逻辑功能，展现出在下一代日盲成像与多功能光电子系统中的应用潜力。本研究证实 Ga₂O₃/GeO₂ 异质结是极具前景的日盲紫外探测候选结构，为高性能光电器件的研发与制备奠定基础。

        本研究得到国家自然科学基金（批准号：62204130）和甬江人才项目（编号：2022 A 218 G）资助。

图 1 Ga₂O₃/GeO₂ 异质结的构筑。(a) Ga₂O₃/GeO₂ 异质结构备工艺示意图。(b) G2S40 与 G3S40 样品的 XRD 图谱。(c) 和 (d) G2S40 与 G3S40 样品的 Ga 3d、Ge 3d、C 1s 及 O 1s 核心能级峰。(e) G2S40 和 (f) G3S40 样品的截面 SEM 图与 EDS 元素分布图。

图 2 Ga₂O₃/GeO₂ 异质结的 XPS 深度剖析。(a) G2S40 和 (b) G3S40 样品中 Ge、Ga、O 的原子百分比随 XPS 刻蚀深度的变化。(c) G2S40 和 (d) G3S40 样品在深度剖析过程中获得的 XPS O 1s 核心能级谱。(e) G2S40 和 (f) G3S40 样品在 β‑Ga₂O₃/GeO₂ 异质结界面处选取的 XPS O 1s 核心能级谱。

图 3 Ga₂O₃/GeO₂ 异质结的能带排列。(a) G2S40 和 (d) G3S40 样品中 Ga₂O₃/GeO₂ 异质结的 KPFM 图（比例尺：1 μm）。(b) G2S40 和 (e) G3S40 样品沿白色虚线的 Ga₂O₃与 GeO₂薄膜接触电势差曲线。(c) G2S40 和 (f) G3S40 样品的价带谱。(g) (310) 取向 Ga₂O₃、(-201) 取向 Ga₂O₃及 GeO₂ 薄膜的 (αhν)²‑hν 曲线。(h) G2S40 和 (i) G3S40 样品中 Ga₂O₃/GeO₂ 异质结界面的电荷转移模拟。(j) G3S40 和 (k) G2S40 样品在 0 V 偏压下 Ga₂O₃/GeO₂ 异质结的能带示意图。

图 4 254 nm 光照下 Ga₂O₃/GeO₂ 日盲光电探测器的光电特性。(a) G2S40 和 (b) G3S40 日盲光电探测器在 254 nm 光照与暗态下的 I‑V 特性。(c) G2S40 和 (d) G3S40 日盲光电探测器在 40 V 偏压、不同光功率密度下的时间分辨光响应。(e) G2S40 和 (f) G3S40 日盲光电探测器的上升时间 τᵣ 与下降时间 τd。(g) G2S40 和 (h) G3S40 日盲光电探测器的响应度 R 与探测率 D* 随光功率密度的变化。(i) G2S40 与 G3S40 日盲光电探测器的外量子效率 EQE 随光功率密度的变化。

图 5 213 nm 光照下 Ga₂O₃/GeO₂ 日盲光电探测器的光电特性。(a) G2S40 和 (b) G3S40 日盲光电探测器在 213 nm 光照与暗态下的 I‑V 特性。(c) G2S40 和 (d) G3S40 日盲光电探测器在 40 V 偏压、不同光功率密度下的时间分辨光响应。(e) G2S40 和 (f) G3S40 日盲光电探测器的上升时间 τᵣ 与下降时间 τ_d。(g) G2S40 和 (h) G3S40 日盲光电探测器的响应度 R 与探测率 D* 随光功率密度的变化。(i) G2S40 与 G3S40 日盲光电探测器的外量子效率 EQE 随光功率密度的变化。

图 6 Ga₂O₃/GeO₂ 日盲光电探测器的逻辑运算与光通信应用。(a) 基于 Ga₂O₃/GeO₂ 日盲光电探测器的逻辑功能工作示意图。(b) “与” 和 “或” 逻辑门的真值表。(c) 和 (d) “与” 逻辑运算。(e) 和 (f) “或” 逻辑运算。(g) 深紫外光通信应用示意图。(h) 分别在 213 nm 和 254 nm 光照下，以 Ga₂O₃/GeO₂ 日盲光电探测器为信号接收器实现 ASCII 码（NBU）信息传输。

DOI：

doi. org/10.1016/j.apsusc.2026.166849