【国内论文】APL | 山东大学、宁波工程学院、宁波大学：基于硅纳米膜异质结的互补光电效应在宽带紫外-可见-近红外光电探测中的应用

        由来自山东大学、宁波工程学院、宁波大学的研究团队在学术期刊 Applied Physics Letters 发布了一篇名为 Complementary optoelectronic effect in silicon nanomembrane-based heterojunction for broadband UV–visible–NIR photodetection（基于硅纳米膜异质结的互补光电效应在宽带紫外-可见-近红外光电探测中的应用）的文章。

        光电探测器依靠光电转换实现光信号感知与解析，在光通信、光学计算、医疗成像、安防、航天、环境监测等领域具备不可替代的应用价值。其中宽光谱光电探测器可同时捕获紫外、可见光、近红外波段光信号，能够实现物质组分分析、遥感地质探测、海洋生态监测、军事目标识别等复杂场景探测，是先进光学系统的核心基础器件，成为近年光电领域重点研究方向。

        单一硅基光电探测器响应区间仅覆盖可见光-近红外（400–1100 nm），无法实现日盲紫外探测；紫外波段硅材料光吸收系数极高、光子穿透深度不足数十纳米，同时紫外光下硅反射系数大、载流子寿命短，严重制约其紫外探测性能。而氧化镓（Ga₂O₃）作为超宽禁带半导体，禁带宽度 4.5–5.2 eV，具备优异日盲紫外（200–280 nm）探测能力，是紫外探测核心候选材料。

        将 Ga₂O₃ 与 Si 构建异质结，理论上可实现紫外-可见-近红外全波段宽光谱探测，但现有制备工艺存在明显短板：转移印刷法制备的异质结需要复杂硅薄膜结构设计，大面积制备难度高；Si 外延生长 Ga₂O₃ 因晶格常数、热膨胀系数失配产生高密度位错与残余应力，且外延周期长，难以规模化量产。因此亟需开发简便、可大面积制备的 Ga₂O₃/Si 异质结制备方案。

        半导体异质结是宽光谱光电探测器制备的核心结构，在环境监测、生物医学成像、光通信等诸多领域具备广阔应用前景。但当前主流半导体异质结制备技术路线仍存在诸多难题，会大幅劣化器件光电性能。本文提出一种简易高效的异质结制备方案，该异质结由硅纳米膜与液态金属印刷制备的 Ga₂O₃ 构成。将液态镓印刷于硅纳米膜表面后，通过自发氧化即可在硅纳米膜上形成大面积、厚度可调控的 Ga₂O₃ 薄膜。得益于异质结内部的互补光电效应，覆盖日盲紫外、可见光、近红外波段的多波段光源均可在异质结耗尽区有效激发电子-空穴对，且内建电势能够将光生载流子高效分离。基于该结构制备的光电探测器展现出优异的光电综合性能：可实现 255–980 nm 超宽光谱探测，响应度高达 3.18 A/W，探测度可达 1.0 ×10¹³ Jones，同时具备良好稳定性、快速响应特性（上升/下降时间 8 ms/10 ms）以及自驱动工作能力。本研究为高性能、大面积宽光谱光电探测平台提供了全新的材料设计思路与制备工艺方案。

        ①提出基于液态金属印刷工艺制备 Ga₂O₃/硅纳米膜异质结的简易方案，液态镓印刷后自发氧化形成厚度可控、大面积连续 Ga₂O₃ 薄膜，兼容 2 英寸晶圆级大面积制备，可逐层印刷调控薄膜层数，解决传统外延、转移印刷工艺复杂、难规模化的缺陷。

        ②揭示 Ga₂O₃/Si 异质结互补光电效应：255 nm 日盲紫外光在 Ga₂O₃ 侧产生光生载流子，405/635/980 nm 可见光、近红外光穿透 Ga₂O₃ 在硅纳米膜内部激发电子-空穴对，内建电场实现全波段载流子高效分离，实现 255–980 nm 超宽光谱自驱动探测。

        ③器件综合光电性能优异：405 nm 处响应度 3.18 A/W，探测度 1.0 ×10¹³ Jones，上升/下降响应速度仅 8 ms/10 ms，具备长期工作稳定性；纯 Si 仅对长波响应、纯 Ga₂O₃ 仅对紫外响应，二者异质结实现光谱互补，验证异质结宽光谱探测的必要性。

        ④270 ℃ 空气退火可完全消除印刷残留金属 Ga，降低氧空位浓度，提升薄膜结构稳定性；器件理想因子 n=1.1，界面缺陷少，PN 整流特性优良，零偏下可稳定自驱动工作。

        综上，本研究制备了基于 Ga₂O₃/Si 异质结的自驱动宽光谱光电探测器，该异质结通过在绝缘层上硅（SOI）基底上印刷液态镓的简便工艺制得。材料特性与器件光电性能的系统性表征结果证实，所制备的 Ga₂O₃ 异质结可实现紫外-可见光-近红外全波段宽光谱探测。能带结构分析表明，器件的宽光谱探测能力来源于 Ga₂O₃/Si 异质结内部的互补光电耦合作用。此外，该器件具备优异的光电综合性能：探测光谱覆盖 255–980 nm，响应度高达 3.18 A/W，探测度可达 1.0 ×10¹³ Jones，同时拥有良好的工作稳定性、超快响应速度（上升/下降时间分别为 8 ms、10 ms）与自驱动工作特性。本工作为宽禁带半导体与硅基材料的异质集成提供了低成本、可规模化的制备路径，有力推动了高性能光电器件领域的发展。

        本研究由 STI 2030 重大项目（编号 2022ZD0209900）、泰山学者专项基金（编号 tsqn202507073）、集成电路材料国家重点实验室开放课题（编号 SKLJC-K2024-02、SKLJC-K2025-06）、山东省博士后创新项目（编号 SDCX-ZG-202400322）资助。

图 1. (a) 基于 Ga₂O₃/Si 异质结的宽光谱光电探测器制备关键流程示意图；(b) 典型制备流程对应的光学显微镜图像；(c) 印刷在 SiO₂ 基底上的大面积 Ga₂O₃ 薄膜光学照片（2 英寸基底）；(d) 逐层印刷 Ga₂O₃ 薄膜的光学显微镜图；(e) Ga₂O₃ 薄膜原子力显微镜图像与 (f) 对应的高度轮廓曲线。

图 2. (a) 印刷态 Ga₂O₃ 薄膜的 X 射线光电子能谱全谱；Ga 3d (b) 与 O 1s (c) 特征区域高分辨 XPS 谱图；(d) Ga₂O₃ 薄膜光吸收谱，插图为 Tauc 曲线；空气 270 ℃ 退火 30 min 后样品的 Ga 3d (e)、O 1s (f) 高分辨 XPS 谱图。

图 3. (a) 典型 Ga₂O₃/Si 异质结光电探测器光学显微照片；(b) 器件电流-电压特性曲线；(c) 提取得到的 dV/d(lnI) 与电流关系曲线，计算得到器件理想因子为 1.1、串联电阻 7.85 kΩ；(d) 器件在暗态、255 nm、405 nm、635 nm、980 nm 激光照射下的 I-V 曲线，所有数据均取自同一器件，光源光功率密度为 372.57 μW/mm²；纯硅基 (e)、纯 Ga₂O₃ 基 (f) 光电探测器在不同光照下的 I-V 曲线，插图为器件光学显微图，光源光功率密度为 372.57 μW/mm²。

图 4. Ga₂O₃/Si 异质结 (a) 无光照、(b) 255 nm 紫外光照、(c) 405/635/980 nm 可见光/近红外光照下的能带结构示意图；所有测试条件偏置电压均为 0 V；图中 Ga₂O₃ 与硅内部示意耗尽层宽度无实际物理意义。

图 5. (a) 405 nm 激光不同光功率密度照射下 Ga₂O₃/Si 异质结光电探测器 I-V 特性；零偏下器件光电流 (b)、响应度与探测度 (c) 随光功率密度变化曲线；(d) 405 nm 激光照射下器件响应时间曲线；(e) 图 (g) 电流变化曲线局部放大图；(f) 不同光功率密度脉冲 405 nm 激光照射下器件光电流变化；(g) 脉冲 405 nm 激光持续照射下器件光电流稳定性曲线，开关频率 1 Hz，光功率密度 246.28 μW/mm²；全部数据均来自同一器件。

DOI : 

10.1063/5.0322989