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【会员论文】ACS Photonics | Ga₂O₃光探测器如何突破性能瓶颈？南邮唐为华教授联合内蒙古大学团队系统解析范德华异质结关键机制
日期：2026-07-20阅读：108
由南京邮电大学唐为华教授、李山副教授、内蒙古大学刘增研究员等人的研究团队在学术期刊 ACS Photonics 发布了一篇名为 Enhanced Light–Matter Interaction and Efficient Energy Transfer in Ga₂O₃ Photodetectors Based on van der Waals Heterogeneous Structures（基于范德华异质结构的 Ga₂O₃ 光探测器中增强的光-物质相互作用与高效能量转移）的文章。
期刊介绍
ACS Photonics 是美国化学会（ACS）旗下聚焦光子学与光电子学领域的国际权威期刊，创刊于2014年，致力于发表光学、光电子、光电材料、纳米光子学、量子光学、光电器件等方向的原创研究和前沿综述。期刊强调材料、器件与系统的交叉融合，是光子学领域具有重要影响力的学术平台。根据中科院最新分区，该期刊位列1区TOP期刊，最新影响因子为6.7（2024–2025年数据），在学术界和产业界均具有较高认可度。
背 景
氧化镓（Ga₂O₃）是带隙约 4.8 eV 的超宽禁带半导体，仅对 200–280 nm 日盲深紫外（DUV）光产生光电响应，地表无天然 UVC 干扰，具备低噪声、高探测灵敏度优势，是深紫外探测核心候选材料。传统单一组分 Ga₂O₃ 器件存在固有短板：光吸收与光-物质相互作用存在固有制衡关系，单一薄膜难以同时实现强紫外吸收与高效载流分离；MSM、肖特基、同质结等常规器件结构受晶格失配、界面悬挂键、氧空位缺陷制约，界面态大量俘获光生载流子，造成响应度与响应速度无法兼顾，暗电流偏高、长期稳定性不足。
传统异质结依靠化学键结合，异质界面晶格不匹配会催生高密度缺陷能级，形成载流陷阱，大幅削弱能量传递效率。而范德华（vdW）异质结构依靠分子间弱作用力堆叠，无需晶格匹配、无界面化学成键、可通过外场调控暗电流，能大幅消除界面陷阱，从根源缓解 “高响应-快速度” 性能权衡矛盾。当前二维材料、有机半导体、p 型掺杂 Ga₂O₃ 可与 Ga₂O₃ 构建多类型 vdW 异质结，但各类结构的光-物质耦合、跨界面能量传递底层机理缺乏系统性梳理，距离规模化实用化仍存在大量材料、界面、器件工程瓶颈。本文系统综述 Ga₂O₃ 基 vdW 异质结深紫外探测器研究进展，剖析界面本征机制，为高性能日盲光电探测器设计提理论指导。
主要内容
新一代宽禁带半导体氧化镓（Ga₂O₃）具备理想光学带隙与紫外吸收截止波长，是制备深紫外光电探测器的理想材料，拥有低噪声、高灵敏度的突出优势。光-物质相互作用与光吸收是决定光电探测性能两大核心要素，单一组分 Ga₂O₃ 材料存在固有局限，需引入辅助材料构建异质界面以捕获激子，兼顾光子激发与载输运过程，以此解决强光吸收与弱光-物质相互作用之间的矛盾。新兴范德华（vdW）体系可实现无晶格约束堆叠、无界面悬空化学键，还可通过外场实现暗电流调控，为新型深紫外异质光电器件研发开辟新路径，契合光学、材料、物理、电子等多学科领域发展需求。材料制备技术的进步大幅简化 vdW 异质结制备流程，可发掘大量新颖光电特性，尽管该类器件潜力巨大，但距离实际应用仍有较大差距。因此，本文综述从增强光-物质相互作用、异质界面高效能量传递两大角度，系统梳理该类异质结构的固有优势与底层机理，为 Ga₂O₃ 基范德华异质界面研究提供理论思路。
创新点
① 首次系统以光-物质相互作用与跨界面高效能量传递双核心维度，完整剖析 Ga₂O₃ 基 vdW 异质结光电底层机理，厘清传统化学键异质结界面陷阱制约性能的根源；
② 分类归纳三大主流 Ga₂O₃ 基 vdW 异质结体系：2D-3D 多维异质结、有机-无机杂化 vdW 异质结、Ga₂O₃ 同质 vdW PN 结，分别梳理各体系能带匹配、载流动力学、器件功能差异化优势；
③ 系统阐明 vdW 接触消除费米能级钉扎的三重微观机制，定量对比 MXene/金属两类接触的肖特基势垒调控能力，解决传统金属/Ga₂O₃ 接触界面态过多难题；
④ 揭示 II 型 vdW 异质结导带、价带偏移高度不对称特性，阐明电子以热电子发射、空穴以隧穿为主导的差异化输运路径，解释低暗电流、高载流分离效率来源；
⑤ 总结当前 Ga₂O₃ 基 vdW 异质结材料、界面、器件、规模化制备四大类核心挑战，并对应给出界面工程、能带调控、低温转移、外延生长等完整解决方案框架。
结 论
总而言之，本文系统梳理了氧化镓（Ga₂O₃）基范德华异质集成光电器件的重大研究进展，重点聚焦该类器件在日盲深紫外光电探测领域的应用，并对范德华异质结光电探测器的工作机理开展详尽物理解析。在整套体系中，增强光-物质相互作用、高效能量传递两大核心机制起到决定性作用，且该类机制能够有效消除界面俘获态带来的负面影响。
若要评估器件长期稳定性，必须在实际大气、温湿度、外加偏压等真实工况下开展系统性长期老化测试。结合现有大量文献研究，需长时间持续监测暗电流（Idark）、响应度（R）、探测率（D*）等核心性能参数；同时可采用原位表征手段，揭示氧气、水汽侵蚀诱发的界面演变机理。在封装工艺层面，物理、化学两种防护策略缺一不可。物理方案可通过插入六方氮化硼（h-BN）等阻挡层、搭配透明封装材料，隔绝异质结与外界环境的接触腐蚀；化学手段则依靠表面钝化工艺，抑制悬挂键引发的界面副反应。针对 Ga₂O₃ 基范德华异质结的专用优化封装方案，仍有待进一步深入研究，以此实现器件稳定、可靠的光电输出性能。
本文全面分析了 PN 型、NN 型两类异质结的能带排布与载流输运动力学过程，阐明范德华集成方案如何摆脱传统晶格失配束缚。范德华界面不存在化学键合悬挂键，该特性能够大幅削弱缺陷引发的载流俘获效应。高质量异质界面形成的强内建电场（Ebuilt-in）可高效分离光生电子-空穴对，为超快、自驱动光电探测奠定理论基础。
除此之外，本文分类综述了三类主流 Ga₂O₃ 基范德华异质结构及其独特功能：
1.二维-三维杂化异质结：将石墨烯、MXene、二硫化钼（MoS₂）等二维材料与 Ga₂O₃ 集成，可实现费米能级去钉扎、加速光生载流子动力学过程，同时赋予器件双极性探测、宽光谱探测等多功能特性；
2.有机-无机杂化异质结：引入 PEDOT:PSS 有机层，器件具备优异的波长选择性与高开路电压（Voc），最大化自驱动光电响应性能；
3.范德华 PN 同质结：p 型 Ga₂O₃ 掺杂是长期存在的行业难题，构建范德华同质结可有效规避该瓶颈，为双极型超宽禁带光电器件的研究开辟全新方向。
尽管 Ga₂O₃ 基范德华异质结器件潜力巨大，但如图 19 所示，从实验室研究走向工程实用化仍存在诸多共性难题，未来研究工作应重点围绕两大方向推进：
1.高质量范德华外延生长：制备大面积、高质量范德华外延薄膜仍是关键科学难题，该问题同时存在于异质外延、同质外延工艺中。现有研究将石墨烯作为缓冲层，在金刚石衬底上外延生长 Ga₂O₃，用以解决散热难题；还有研究在 Ga₂O₃ (100) 晶面构建近范德华表面，实现同质外延。但上述方案仍存在诸多未解决问题：异质外延体系中，底层衬底与外延层之间存在严重晶格失配与热失配；大面积石墨烯缓冲层难以实现均匀形核与精准应力调控；同质外延方面，大尺寸晶圆上近范德华表面的结构稳定性难以保障，高品质外延层的无损剥离工艺尚未完全成熟，极大限制柔性器件的规模化生产。
2.综合性能协同优化：打破各项光电性能之间的制衡关系是核心技术瓶颈，现有器件无法同时兼顾低暗电流、高响应度、快速响应速度。该制衡关系的本质来源于材料本征氧空位与界面空穴俘获效应：深紫外光照下，各类俘获中心会捕获大量光生空穴，虽能获得较高光电增益，但会大幅延长器件恢复时间，且难以精准调控、彻底消除俘获效应。除此之外，当前器件研发正向低功耗神经形态计算、非易失光电存储领域延伸，MoS₂/Ga₂O₃/石墨烯等多层复合范德华异质结体系仍存在大量技术难题；在该类复杂结构中，实现电荷输运精准调控、多级电导稳定保持、低能耗工作仍极具挑战。
攻克上述一系列难题，必将推动 Ga₂O₃ 基范德华异质结器件在新一代日盲深紫外成像、保密光通信、环境监测、深空探测领域落地应用，同时助力超宽禁带半导体集成光学（尤其 Ga₂O₃ 相关方向）整体发展。
项目支持
本工作得到国家自然科学基金（批准号 62564011、62204125、U23A20349、62305171、62364014、62501320）、内蒙古自治区自然科学基金青年 A 类项目（2026QA016）、内蒙古直属高校基础科研业务费（2026JBKY002）、内蒙古自治区高层次人才引进启动经费（21700252904、21700-252905）、内蒙古大学骏马高层次人才计划（10000-A24199006、10000-A24106015）、2026 年度内蒙古大学实验技术研究自制改造设备项目（SYJS2026007）、内蒙古自治区高校创新研究团队计划（NMGIRT2503）、江苏省前沿技术研发项目（BF2025078）资助。
图 1. 紫外光电探测示意图：光谱与应用场景
图 2. 各类 Ga₂O₃ 基光电探测器（MSM 光电导型、金属-半导体肖特基光电二极管、光电晶体管、异质结、范德华异质结）优缺点对比示意图
图 3. Ga₂O₃ 基材料、器件、界面相关研究及内在物理关联示意图
图 4. Ga₂O₃ 基范德华异质结原子排布示意图：(a) 石墨烯/Ga₂O₃ 、(b) MXene/Ga₂O₃ 二维-三维范德华异质结；(c) PEDOT:PSS/Ga₂O₃ 有机-无机杂化异质结；(d) GaN/Ga₂O₃ 全宽禁带半导体范德华异质结
图 5. Ga₂O₃ 电子亲和能大于另一材料时，Ga₂O₃ 基 PN 异质结能带排布示意图；Ga₂O₃ 通常视为宽禁带 n 型半导体
图 6. Ga₂O₃ 电子亲和能小于另一材料时，Ga₂O₃ 基 PN 异质结能带排布示意图
图 7. 不同条件下 Ga₂O₃ 基 NN 异质结能带排布示意图
图 8. (a) 光照下异质结光电探测器示意图；(b) 范德华 PN 异质结、(c) 范德华 NN 异质结等效电路
图 9. MoS₂/Ga₂O₃ 、石墨烯/Ga₂O₃ 、铋(Bi)/Ga₂O₃ 范德华异质结光电探测器自驱动工作特性。(a) 器件结构示意图，(b) 暗态与光照下电流-电压曲线，(c) 光谱响应曲线，(d) 能带图，(e) 零偏压下时间分辨光响应，(f) MoS₂/β-Ga₂O₃ 异质结光电流随光强变化曲线；(g) 石墨烯/Ga₂O₃ 器件结构，(h) 能带示意图，(i) 外加偏压与零偏下时间响应曲线；(j) Bi/Ga₂O₃ 器件结构，(k) 能带示意图，(l) 不同偏压、零偏下的瞬态光响应
图 10. WSe₂/Ga₂O₃ 、石墨烯/Ga₂O₃ 范德华异质结光电探测器的低暗电流与快速响应性能。(a) 器件结构与光谱响应，(b) 暗/光照 I-V 曲线，(c) 响应时间，(d) 能带图，(e) 器件长期稳定性光响应；(f) 石墨烯/Ga₂O₃ 器件示意图，(g) 能带结构，(h) I-V 特性，(i) 光谱响应，(j)(-201) 晶向 Ga₂O₃ 、(k)(100) 晶向 Ga₂O₃ 器件的激光瞬态响应曲线
图 11. 石墨烯/Ga₂O₃ 、硅(Si)/Ga₂O₃ 范德华异质结的增强光-物质相互作用与高效载流输运特性。(a) 石墨烯/Ga₂O₃ 器件结构，(b) I-V 曲线，(c) 光谱响应，(d) 能带匹配示意图，(e) 紫外波段光谱，(f) 时间分辨光响应；(g) Si/Ga₂O₃ 器件结构，(h) 能带图，(i) I-V 特性，(j) 多波长光电流输出，(k) 不同波长下响应度曲线，(l) 光生载流子产生速率仿真云图
图 12. 无费米能级钉扎的 MXene/Ga₂O₃ 杂化范德华异质结光电探测器。(a) 器件结构，(b) 暗/光照 I-V 曲线，(c) 光谱响应，(d) 短路光电流随光强变化，(e) 不同光强下输出电功率，(f) 范德华接触下 Ga₂O₃ 能带结构，(g) 肖特基势垒高度随功函数变化曲线，(h)(i) MXene/Ga₂O₃ 异质结能带示意图
DOI :
10.1021/acsphotonics.6c01024
