【会员论文】湖南大学：关于金刚石-氧化镓异质结光电探测器的技术研究进展

        由湖南大学的研究团队在学术期刊 Semiconductor Science and Technology 发布了一篇名为 Recent advances in diamond-gallium oxide heterojunction photodetectors: a review of emerging technologies（金刚石-氧化镓异质结光电探测器的研究进展：新兴技术综述）的文章。

        深紫外（DUV，200–280 nm）光电探测器在臭氧监测、导弹跟踪、火焰检测、紫外通信、生物医学检测等领域具有不可替代的优势。金刚石作为超宽禁带半导体（禁带宽度 5.5 eV），具备超高热导率、高化学稳定性、高击穿电压等优异性能，但其探测波长仅低于 225 nm，且材料制备复杂、成本高。氧化镓（Ga₂O₃，禁带宽度~4.9 eV）可覆盖日盲紫外区，大尺寸单晶可及、制备工艺成熟，但其热导率低、载流子迁移率不高、难以实现有效 p 型掺杂。为突破单一材料的性能瓶颈，金刚石/Ga₂O₃ 异质结凭借禁带匹配、热/化学兼容性好、p-n 型互补等优势，成为高性能 DUV 光电探测器的研究热点。

        金刚石/氧化镓（Ga₂O₃）作为一种新型宽禁带半导体异质结构，在光电器件、电力电子器件和辐射探测领域具有巨大潜力。金刚石成熟的 p 型掺杂技术与超高热导率，以及 Ga₂O₃ 的 n 型导电性与宽紫外光谱响应范围的协同结合，提升了光电探测器的性能与应用范围。本文综述了金刚石/Ga₂O₃ 异质结器件的最新进展，包括能带工程、界面设计及器件性能优化策略；分析了该类探测器在成像系统、自供能传感与极端环境监测中的潜在应用。未来研究将聚焦界面钝化、缺陷工程与可扩展制备技术，推动该材料体系在深紫外光子学与智能传感技术中的实际应用。

        ·提出金刚石与 Ga₂O₃ 优势互补的异质结设计，实现 200–280 nm 近全谱 DUV 探测。

        ·利用金刚石超高热导率缓解 Ga₂O₃ 自热效应，提升器件高温稳定性与可靠性。

        ·以 p 型金刚石弥补 Ga₂O₃ 难以 p 型掺杂的缺陷，构建高效 p-n 异质结与内建电场。

        ·发展界面优化、掺杂调控、范德华集成等策略，显著提升响应度、光暗比与响应速度。

        ·实现自供能探测、日盲成像、位置探测与高温工作等多功能应用拓展。

        金刚石/Ga₂O₃ 异质结光电探测器凭借优异特性在 DUV 探测领域具有重要潜力。通过整合金刚石的高热导率、p 型掺杂能力与 Ga₂O₃ 的高能光子响应、n 型导电性优势，器件紫外探测能力显著提升，可实现全谱或近全谱 DUV 探测并在高温下保持良好性能，是发展高性能 DUV 探测器的理想候选体系。尽管取得进展，其发展仍面临关键挑战：需优化界面钝化与缺陷工程以降低界面态密度与缺陷相关电流，提升器件稳定性与可靠性；高质量大面积材料的可扩展制备仍是重要障碍。未来研究应聚焦：（1）创新界面工程策略，如引入缓冲层或界面改性以改善界面结合与电荷输运；（2）探索新型掺杂技术优化导电性并实现金刚石与 Ga₂O₃ 间载流子浓度匹配；（3）建立高效低成本材料制备工艺支撑产业化应用。金刚石/Ga₂O₃ 异质结研究持续推进，同时寻找替代 p 型材料对推动 Ga₂O₃ 基异质结光电探测器具有重要意义。由于 p 型金刚石成本高、工艺复杂，p-GaN、p-SiC、p 型氧化物半导体（NiO、CuO、Cu₂O 基材料）等宽禁带 p 型半导体有望成为实用可扩展的替代材料。这些材料可为 Ga₂O₃ 异质结器件的界面能带排列、缺陷工程与载流子输运调控提供参考，指导金刚石/Ga₂O₃ 异质结光电探测器的优化与大规模部署。综上，金刚石/Ga₂O₃ 异质结光电探测器在 DUV 探测与智能传感领域具有重要研究价值与应用潜力，通过界面设计、材料优化与器件结构创新，未来可实现高性能 DUV 探测器开发，为极端环境监测、自供能传感、智能成像系统的实际应用奠定坚实基础。

        本工作得到了国家重点研发计划（No. 2024YFA1208401）、长沙市科技计划项目（kq2303003）和湖南省重点研发计划（2023GK2013）的资助。

图 1 金刚石结构示意图。

图 2 六种晶相结构示意图：(a) α-Ga₂O₃。 (b) β-Ga₂O₃。 (c) γ-Ga₂O₃。 (d) δ-Ga₂O₃。(e) ε-Ga₂O₃。 (f) κ-Ga₂O₃。

图 3 金刚石/β-Ga₂O₃ p–n 异质结能带图：(a) 暗态下；(b) 光照下。

图 4 (a) ε-Ga₂O₃/金刚石界面的 STEM 图像。(b) ε-Ga₂O₃/金刚石光电探测器的光电流与暗电流。(c) 不同外加电压下，ε-Ga₂O₃/金刚石光电探测器在不同入射波长紫外光下的响应度，(c) 中插图为对应响应度的对数坐标。

图 5 (a) 机械剥离的 β-Ga₂O₃ 纳米层干法转移至 p 型金刚石上。 (b) 光电探测器结构与散热路径示意图。(c) 室温条件下制备金刚石 / 宽禁带或超宽禁带半导体异质结的 MG 工艺原子级示意图。 (d) 样品 GO681-2 上 Ga₂O₃/金刚石 Pt 肖特基二极管的室温 I–V 特性：暗态 (蓝线)、259 nm LED 光照 (红线)、365 nm LED 光照 (品红线)。 (e) 在 B 掺杂单晶金刚石 (111) 面上生长的 GaOOH (110)、α-Ga₂O₃(202) 和 β-Ga₂O₃ 的原子模型。 (f) 5 V 偏压下，NC 样品 (红色曲线) 与 SC 样品 (蓝色曲线) 在 200–600 nm 波段的光谱响应度。

图 6 (a) 日盲型位置敏感探测器 (PSD) 测试实验装置。 (b) 0 V 偏压下金刚石/β-Ga₂O₃ 光电探测器的光响应光谱。(c) 插图为对数坐标下的光响应光谱。零偏压下金刚石/β-Ga₂O₃ 异质结光电探测器的成像性能。

DOI：

doi.org/10.1088/1361-6641/ae6a14