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【会员论文】JAC丨天津理工赵金石教授团队在氧化镓异质结能带工程领域取得进展：(AlₓGa₁₋ₓ)₂O₃插层Al组分调控实现载流子高效分离与紫外加密通信
日期：2026-08-18阅读：172
由天津理工大学赵金石教授团队联合北京大学深圳研究生院、广东省纳米微米材料研究重点实验室的研究团队在学术期刊 Journal of Alloys and Compounds 发表了一篇题为 Interface-Engineered Ga₂O₃/(AlxGa1-x)₂O₃/GaN Heterojunction Photodetectors with Tunable Band Alignment and Enhanced Carrier Separation（具有可调能带对齐和增强载流子分离能力的 Ga₂O₃/(AlxGa1-x)₂O₃/GaN 异质结光探测器）的文章。
背景
日盲紫外与 UV-A 双波段光电探测器在火焰监测、环境传感、加密通信和空间探测等领域具有重要应用价值。Ga₂O₃ 具有约 4.9 eV 的超宽禁带，是理想的日盲紫外探测材料；GaN 具有 365 nm 附近的 UV-A 光响应特性，二者构建异质结构可实现单器件宽谱紫外探测。然而，传统 Ga₂O₃/GaN 直接异质结界面导带偏移量较小，反向偏置下难以有效阻挡 GaN 侧电子注入，器件暗电流高、光生载流子复合严重，响应度与探测极限受限。在异质结界面引入铝镓氧化物（(AlxGa1-x)₂O₃）插层是调控能带结构、增强载流子分离的有效思路。但 Al 含量的变化会同时改变薄膜表面形貌、缺陷态密度与能带偏移，三者之间存在复杂的耦合关联；此外，插层势垒对载流子分离的增益效应与非晶层缺陷辅助复合的损耗效应如何竞争，其内在物理机制仍需深入理解。因此，如何通过组分工程精准优化界面能带对齐、平衡势垒高度与缺陷密度，并在此基础上拓展紫外波段逻辑运算与加密通信等多功能应用，是该领域面临的重要课题。
主要内容
界面能带对齐是决定超宽禁带异质结光探测器载流子输运与复合动力学的核心因素。本研究设计组分可调的 Ga₂O₃/(AlxGa1-x)₂O₃/GaN 紫外探测异质结构，引入 (AlxGa1-x)₂O₃ 插层实现非对称能带不连续调控。X 射线光电子能谱测试表明插入 (Al0.15Ga0.85)₂O₃ 夹层可显著提升 GaN 界面导带偏移量（ΔEC≈1.90 eV），价带对齐仅发生微弱改变，实现电子选择性阻挡与空穴高效输运。系统组分调控实验证明器件性能随 Al 含量呈非单调变化，由插层势垒带来的载流分离效应与非晶层缺陷辅助复合效应相互共同决定。优化后的器件在 254 nm、365 nm 两种紫外光照下均表现出增强的光电性能，瞬态响应速度同步加快。得益于本征宽谱紫外光响应特性，该异质结器件可实现紫外加密通信光子逻辑运算。本研究为 Ga₂O₃ 基异质结载流子选择性能带工程提供物理支撑方案，面向高性能多功能紫外光探测器件。
创新点
①采用组分可调 (AlxGa1-x)₂O₃ 夹层实现界面能带工程调控。
②优化铝组分，平衡势垒提升效果与缺陷诱发的载流子复合效应。
③提升能带偏移量，实现高效载流子分离与低暗电流特性。
④可通过光子逻辑运算应用于安全紫外加密通信场景。
结论
综上，本研究制备组分调控型 Ga₂O₃/(AlxGa1-x)₂O₃/GaN 异质结，通过精准调控界面能带对齐实现载流子选择性输运。基于 XPS 的能带偏移分析证实，插入最优组分 (Al0.15Ga0.85)₂O₃ 夹层可大幅提升导带不连续值，同时仅小幅改变价带偏移，构建电子选择性阻挡结构。不同 Al 组分样品系统对比表明，器件性能呈非单调变化，根源在于插层势垒增强载流子分离效应与非晶层缺陷介导复合效应的相互竞争。优化后的异质结器件在日盲、UV-A 双波段光照下同时实现更高响应度、探测率与更快瞬态响应。除器件性能提升外，本研究阐明组分可调超宽禁带插层调控能带偏移与载流子动力学的物理机制，为氧化物/III-V 族异质结的选择性能带工程提供了新的研究思路，为多功能紫外光电器件开发提供新思路。
项目支持
本研究得到天津市重点研发计划（25YFXTHZ00370）、天津市企业特派员专项（25YDTPJC00350）、国家自然科学基金（52402044）、深圳市科技创新委员会项目（JCYJ20240813160206009、JCYJ20250604175911015、KQTD20221101115627004）、北京大学深圳研究生院 AI for Science 专项、广东省纳米微材料重点实验室资助。
图 1 (a) 薄膜与器件制备流程示意图；(b) 器件截面结构示意图；(c)-(e) PD₁-PD₃ 样品 (AlxGa1-x)₂O₃ 薄膜原子力形貌图；(f)-(h) PD₁-PD₃ 样品 (AlxGa1-x)₂O₃ 薄膜截面扫描电镜图。
图 2 PD₁-PD₃ 样品 (AlxGa1-x)₂O₃ 薄膜 X 射线光电子能谱：(a)-(c) Al 2p 芯能级谱，(d)-(f) Ga 2p 芯能级谱，(g)-(i) O 1s 芯能级谱。
图 3 (a) Ga₂O₃ 薄膜、(b)-(d) 不同 Al 组分 (AlxGa1-x)₂O₃ 薄膜的光学带隙，带隙数值由 O 1s 芯能级中心与其对应能量损失谱起始位置的能量差值计算得到。
图 4 (a)-(d) PD₀-PD₃ 器件在暗态、254 nm 与 365 nm 紫外光照下的半对数电流-电压曲线；-5 V 偏压下 (e) 254 nm、(f) 365 nm 光照时光电流-时间曲线；(g)(h) PD₀、(i)(j) PD₂ 单周期上升与衰减边沿的指数拟合放大图。
图 5 (a) Ga₂O₃ 样品 Ga 2p3/2 芯能级谱与价带谱；(b) (Al0.15Ga0.85)₂O₃ 样品 Al 2p 芯能级谱与价带谱；(c) Ga₂O₃/(Al0.15Ga0.85)₂O₃ 界面处 Ga 2p3/2、Al 2p 芯能级 XPS 谱；(d) GaN 样品 Ga 2p3/2 芯能级谱与价带谱；(e) (Al0.15Ga0.85)₂O₃/GaN 界面处 Ga 2p3/2、Al 2p 芯能级 XPS 谱；(f) Ga₂O₃/(AlxGa1-x)₂O₃/GaN 异质结能带结构示意图。
图 6 不同工况下异质结能带示意图：(a) 反向偏置 + 254 nm 光照；(b) 反向偏置 + 365 nm 光照。
DOI：
doi.org/10.1016/j.jallcom.2026.190296
