【会员论文】APL丨重庆师范大学：面向加密通信的 α-Ga₂O₃ 自供电双极性光电探测器及其波长/光强可调光学逻辑功能

        由重庆师范大学的研究团队在学术期刊 Applied Physics Letters 发布了一篇名为 Wavelength- and intensity-tunable self-powered bipolar photodetectors based on α-Ga₂O₃ heterostructures for encrypted communication（基于非晶氧化镓异质结的波长、强度可调自供电双极性光电探测器用于加密通信）的文章。

        随着光通信、逻辑计算与成像等信息技术快速发展，光电探测器的功能与能效要求不断提升。传统单极性光电探测器响应模式固定，难以实现复杂信息处理，而双极性光电探测器可通过调控光信号改变光电流极性，能大幅提升信息处理密度，成为研究热点。面向物联网与边缘计算场景，零偏压自供电式双极性探测器件可有效降低功耗，是亟待突破的技术方向。

        目前已报道的双极性探测方案仍存在诸多短板：部分器件依赖外加电场、电解液或热效应，存在能耗高、集成难度大、响应速度慢等问题。非晶氧化镓（α-Ga₂O₃）具备深紫外吸收特性与低成本制备优势，是制备双极性光电探测器的理想材料。现有基于该材料的器件多采用静态结构，难以实现响应模式的动态可编程调控。因此，开发制备简单、性能稳定、可动态调制的全固态自供电双极性光电探测器，对多功能光电器件与保密通信领域发展具有重要意义。

        双极性光电探测器在光学逻辑与通信领域应用前景广阔，但普遍存在结构复杂、功耗较高的问题。本文研制了一种基于 ITO /金纳米颗粒/非晶氧化镓/铂（ITO/Au NPs/α-Ga₂O₃/Pt）异质结的垂直结构自供电光电探测器。研究利用金纳米颗粒调控界面氧空位，并结合光场对肖特基势垒的协同调制作用，使器件在零偏压下实现明显的双向光响应。该器件可随入射波长切换光电流极性：在 254 nm 光照下产生正向光电流，在 310 nm 光照下产生负向光电流。值得注意的是，器件在 295 nm 光照下呈现特殊的强度依赖型极性翻转现象，随着光强提升，光电流由负向转为正向。本文验证了该可调特性在光学逻辑门与加密通信系统中的应用潜力，为多功能自供电光电器件的研发提供了新路径。

        ·构建 ITO/Au NPs/α-Ga₂O₃/Pt 垂直异质结器件，借助金纳米颗粒调控界面氧空位，实现零偏压下稳定的双极性光电响应。

        ·器件具备波长、光强双重可调的极性翻转特性，254 nm、310 nm 波长对应相反光电流，295 nm 下光强变化可实现极性反转。

        ·阐明缺陷态与光生空穴俘获引发的光栅极效应相互竞争的物理机制，解释了双极性响应的成因。

        ·基于器件特性实现多种光学逻辑运算与图像、信号加密传输，拓展了深紫外探测器在保密光通信领域的应用。

        本文成功制备了基于 ITO /金纳米颗粒/非晶氧化镓/铂垂直异质结的全固态自供电双极性光电探测器，器件可通过波长与光强两种方式实现光电流极性调制。引入金纳米颗粒能够显著改变界面氧空位缺陷态与电子结构，让器件在零偏压下产生稳定的双极性光响应。在 310 nm 光照下，缺陷态吸收占据主导并产生负向光电流；在 254 nm 光照下，金纳米颗粒俘获界面电荷改变势垒高度，进而产生正向光电流。两种机制的竞争作用，使器件在 295 nm光照下出现光强依赖的极性翻转现象。依托该特性，本研究实现了与、或、异或、非可重构光学逻辑门以及加密通信功能。该工作为研发极性可调的自供电光电器件、开展光学逻辑与保密光信号处理提供了有效方案。

        本研究得到国家自然科学基金（编号：12104077）以及重庆市教育委员会科技研究项目（编号：KJQN202300563）的资助。

图 1 (a) 垂直结构自供电 ITO/Au NPs/a-Ga₂O₃/Pt 光电探测器结构示意图；(b) 截面透射电子显微镜图像；(c) 非晶氧化镓薄膜的 X 射线衍射图谱；(d) 沉积在单晶氧化镁参考衬底上的金纳米颗粒三维原子力显微镜图像

图 2 不同金溅射时长下，ITO/Au NPs/a-Ga₂O₃/Pt 器件的零偏压瞬态光响应：(a) 0 秒（样品 S0），(b) 5 秒（样品 S1），(c) 10 秒（样品 S2），(d) 15 秒（样品 S3）

图 3 非晶氧化镓光电探测器的自供电性能以及波长、光强可调的双极性特性。(a) 暗态、254 nm 和 310 nm 光照下的电流密度-电压特性曲线；(b) 零偏压下，254 nm（上图）和 310 nm（下图）不同光强对应的光电流密度随时间变化曲线；(c)(f) 分别为 254 nm、310 nm 下放大的瞬态光响应曲线；(d)(g) 光电流密度、响应度随光强的变化关系；(e)(h) 计算得到的比探测率、外量子效率随光强的变化关系；(i) 不同光强下的噪声等效功率对比；(j) 295 nm 弱光与强光照射下的电流密度-电压曲线，展示开路电压极性翻转现象；(k) 295 nm 光照下，零偏压光电流密度随光强提升的实时变化；(l) 通过切换 295 nm 光照强度实现可重复的极性切换，验证极性翻转的稳定性

图 4 界面表征以及可调双极性光响应对应的能带模型。(a) 不同金溅射时长（S0 至 S3）的非晶氧化镓薄膜氧 1s X 射线光电子能谱；(b) 对应样品的紫外-可见吸收光谱，插图为用于计算光学带隙的陶克图谱；(c) 空白器件（0 秒）与金修饰器件（5 秒、15 秒）的暗态电流-电压曲线，体现宏观导电特性反转；(d)-(g) ITO/Au NPs/a-Ga₂O₃/Pt 器件在不同条件下的能带示意图：(d) 310 nm 光照，(e) 254 nm 光照，(f) 295 nm 弱光照，(g) 295 nm 强光照

图 5 自供电光电逻辑门与加密通信功能演示。(a) 与门、或门、异或门、非门的真值表；(b) 各类逻辑门的电路符号；(c)-(f) 器件分别作为 (c) 与门、(d) 或门、(e) 异或门、(f) 非门时的瞬态光电流测试曲线；(g) 自供电通信系统结构示意图；(h) 加解密逻辑流程（左）与实验验证结果（右）；(i) 利用 8×8 随机密钥矩阵，完成字母 “H” 二维图像的加密与解密演示

DOI：

doi.org/10.1063/5.0326590