【会员论文】MTE| 西电郝跃院士、韩根全教授联合复旦大学、西北工业大学团队：基于量子点辅助能带调制的界面工程Ga₂O₃光探测器用于选择性UVC检测

        由西安电子科技大学郝跃院士、韩根全教授联合复旦大学、西北工业大学的研究团队在学术期刊Materials Today Electronics发布了一篇名为Interface-engineered Ga₂O₃ photodetectors with quantum-dot-assisted band modulation for spectrum-selective UVC detection（采用量子点辅助能带调制技术的界面工程化Ga₂O₃光探测器，用于谱选择性UVC检测）的文章。

        紫外 C 波段（UVC，200–280 nm）光电探测器广泛应用于火焰检测、环境监测、安全光通信、日盲成像、量子光子学与自主传感等领域。随着相关领域发展，UVC 探测器需在超弱光照下实现高响应度与毫秒级时间响应。但传统宽禁带半导体如 ZnO、AlGaN、金刚石存在外延复杂、缺陷密度高、载流子输运受限等问题，制约了灵敏度与响应速度的同步优化。氧化镓（Ga₂O₃）作为新兴宽禁带半导体材料，具备 4.9–5.2 eV 禁带宽度、优异热化学稳定性与本征日盲响应特性，是 UVC 光电探测器的理想材料。然而 Ga₂O₃本征 n 型导电性与掺杂不对称性阻碍高效 p-n 结制备，导致肖特基与 MSM 结构光电探测器载流子提取效率低。与 p 型半导体构建异质结可引入内建电场与可调带阶，是解决上述问题的有效途径，但现有 Ga₂O₃基异质结光电探测器因界面复合与陷阱辅助载流子动力学问题，仍存在暗电流高、光响应慢等缺陷。

        由于宽禁带半导体中载流子分离效率低且界面复合严重，在超弱光照下实现快速、高灵敏度的紫外 C（UVC）检测仍然具有挑战性。该团队报道了一种基于界面工程的 Ga₂O₃基光电探测器，通过将 p 型 NiO 量子点（p-NQDs）集成到 n 型 Ga₂O₃沟道上形成表面型异质结。p-NQDs 的引入改变了界面能级结构，增强了内建电场并抑制了 Ga₂O₃表面的复合。得益于 II 型能带排列和界面调控，该异质结器件实现了～10⁻¹⁴ A 的超低暗电流，在 254 nm 光照下具有 4.66 A/W 的高响应度和 5.56×10¹⁴ Jones 的探测率。时间分辨测量表明，光响应显著加快，上升和衰减时间低至数十毫秒，表明与原始 Ga₂O₃器件相比，载流子输运动力学得到改善。此外，概念验证的单像素 UVC 成像演示证实了其在弱光照下的高对比度空间成像能力。这些结果表明，量子点辅助的界面工程为调控氧化物半导体中的载流子动力学提供了有效策略，为高灵敏度日盲 UVC 光电探测器的发展提供了思路。

        ●提出量子点介导的表面异质结策略，将 p 型 NiO 量子点选择性集成到 n 型 Ga₂O₃沟道，构建 Ga₂O₃基 UVC 光电探测器。

        ●在 p-NQDs/n-Ga₂O₃界面实现 II 型能带排列，增强内建电场、抑制界面复合、提升载流子分离效率。

        ●在 254 nm 光照下获得超低暗电流（~10⁻¹⁴ A）、高响应度（4.66 A/W）、高探测率（5.56×10¹⁴ Jones）与毫秒级响应速度（上升时间 24 ms，衰减时间 8 ms）。

        ●完成弱光照下高对比度单像素 UVC 空间成像概念验证，证实器件成像应用潜力。

        该团队报道了一种界面工程化的 p-NQDs/n-Ga₂O₃光电探测器，通过 II 型能带排列实现的界面调控，在日盲 UVC 区域获得了增强的性能。p-NQDs 的引入改变了界面电子结构并实现缺陷钝化，促进载流子分离并抑制复合损耗。因此，该器件在 254 nm 光照下表现出 4.66 A/W 的高响应度、5.56×10¹⁴ Jones 的比探测率，以及 24 ms 上升时间和 8 ms 衰减时间的快速响应。此外，概念验证的单点 UVC 空间成像演示表明，在低强度光照下可实现高对比度的清晰图案识别，凸显了器件在空间光识别方面的潜力。这些结果强调了采用量子点进行界面工程化以调控 Ga₂O₃基异质结构中载流子动力学的有效性。该工作为低暗电流、高灵敏度日盲 UVC 光电探测器的设计提供了思路，并为先进深紫外传感与成像应用指明了可行路径。

        国家自然科学基金（批准号 62404176、62293522、12175298）、国家重点研发计划（编号 2024YFF1504400）、浙江省自然科学基金（LDT23F0402、LDT23F04024F04）、浙江省领军型创新创业项目（2023R01014）、陕西省科技支撑重点项目（2024CY2-GJHX-81）。

图 1 (a) 紫外光照下 p-NQDs/n-Ga₂O₃光电探测器结构示意图。(b) 未涂覆（上）与涂覆（下）p-NQDs 的 Ga₂O₃光电探测器光学显微镜图像。(c) 纯 Ga₂O₃与 p-NQDs/n-Ga₂O₃异质结构的紫外 - 可见吸收光谱。(d) 两种器件的光谱光电流响应，显示异质结在 UVC 区域响应度提升。(e) 暗态与 1 μW/cm² 的 254 nm 紫外光照下的半对数 I-V 特性，对比 Ga₂O₃与 p-NQDs/n-Ga₂O₃器件。(f) Ga₂O₃与 p-NQDs/n-Ga₂O₃的拉曼光谱，显示 p-NQDs 声子模对应的额外峰。

图 2 (a-b) 未涂覆 / 涂覆 p-NQDs 的 Ga₂O₃光电探测器在暗态及 1–50 µW/cm² 的 254 nm 光照下的 I-V 曲线。(c-d) 未涂覆 / 涂覆 p-NQDs 的 Ga₂O₃光电探测器在 60–100 µW/cm² 的 254 nm 光照下的 I-V 曲线。

图 3 (a) Ga₂O₃与 p-NQDs/n-Ga₂O₃光电探测器的响应度 R、(b) 探测率 D*、(c) 外量子效率 EQE、(d) 光暗电流比 PDCR 随入射光功率 Pin 的变化。插图突出低光强区差异。

图 4 254 nm 光照下 Ga₂O₃与 p-NQDs/n-Ga₂O₃光电探测器的时间光响应。(a,b) 8 µW/cm² 光照下的周期响应，(c,d) 8 µW/cm² 光照下的瞬态单脉冲响应与恢复，显示两种器件的上升时间 t_r 与衰减时间 t_d。(e,f) 100 µW/cm² 光照下的瞬态单脉冲响应与恢复，显示两种器件的上升时间 t_r 与衰减时间 t_d。

图 5 (a,b) Ga₂O₃与 NQDs 薄膜的紫外光电子能谱。(c,d) Ga₂O₃与 NQDs 的紫外 - 可见透射光谱及对应 Tauc 图。(e) 基于 UPS 与光学数据的 NQDs/Ga₂O₃异质结能带图。(f) UVC 光照下 II 型异质结载流子输运与分离示意图。

图 6 (a) 采用 p-NQDs/n-Ga₂O₃光电探测器与图案化掩模的 UVC 单点成像系统示意图。(b) 254 nm 光照下单点成像获得的字母 “QDS” 图像。

DOI : 

10.1016/j.mtelec.2026.100217.