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【会员论文】JAC丨桂林电子科技大学张法碧教授、中国电科三十四所的研究团队：面向光电子应用的低维 Ga₂O₃ 纳米结构—从维度工程调控到器件应用
日期：2026-10-10阅读：191
由桂林电子科技大学张法碧教授、中国电子科技集团公司第三十四研究所的研究团队在学术期刊 Journal of Alloys and Compounds 发布了一篇名为 Low-dimensional Ga₂O₃ nanostructures for optoelectronics: from dimensional engineering to device applications（面向光电子学的低维 Ga₂O₃ 纳米结构：从维度调控到器件应用）的文章。
背 景
氧化镓（Ga₂O₃）作为代表性的超宽禁带半导体材料（禁带宽度约 4.4–5.3 eV），具备高击穿电场、强化学与热稳定性以及天然的日盲紫外吸收特性（吸收边精确对应 200–280 nm 的日盲波段），在日盲紫外探测、功率电子和透明电子器件等领域展现出巨大的应用潜力。然而，传统基于体材料或常规薄膜架构的 Ga₂O₃ 器件仍面临载流子调控能力有限、缺陷诱导的载流子捕获（引发持续光导效应与慢恢复问题）以及集成度不足等瓶颈。降维至一维（如纳米线、纳米带、纳米棒）和二维（如纳米片）低维结构能有效引入显著的尺寸效应，通过提供大比表面积、缩短载流子传输路径、增强光与物质相互作用以及诱导量子限域效应，为突破传统器件性能瓶颈、实现能带结构调控以及优化载流子动力学过程提供了新的途径。
主要内容
氧化镓（Ga₂O₃）作为一种超宽带隙半导体，因其固有的深紫外吸收、高击穿场强以及优异的化学和热稳定性，在日盲紫外光探测领域受到了广泛关注。然而，传统的基于 Ga₂O₃ 的器件仍面临诸多挑战，包括载流子调制能力有限、缺陷诱导的载流子捕获以及集成潜力不足。低维 Ga₂O₃ 纳米结构通过提供增强的表面效应、缩短的载流子传输路径以及可调的电子性能，为解决这些问题提供了有效方案。本综述总结了一维和二维 Ga₂O₃ 纳米结构的最新进展，特别关注了合成策略、维度工程、缺陷调控以及光电器件应用。文中讨论了代表性的光探测器结构，包括金属-半导体-金属器件、肖特基结、异质结构和光电晶体管。同时，还探讨了持续光电导性和载流子动力学的机制。最后，本文讨论了当前面临的挑战，并展望了高性能和集成 Ga₂O₃ 光电器件系统的未来前景。
创新点
①维度工程与量子限域效应调控： 系统总结了从一维（1D）纳米线/纳米棒/纳米带到二维（2D）及准二维纳米片的维度调控机制。揭示了一维结构中由双向横向限域引发的连续波长可调性，以及二维结构中厚度依赖的能带结构演化与亚带形成规律，为低维 Ga₂O₃ 光电性能的按需定制提供了理论指导。
②缺陷工程与持续光导（PPC）机制解析： 详细剖析了基于表面氧吸脱附模型和深级缺陷捕获的持续光导（PPC）物理机制，并建立了低维 Ga₂O₃ 的耗散区宽度估算模型。提出了通过缺陷态工程（如控制氧空位浓度、调控陷阱深度与空间分布）解耦“高光响应增益”与“慢恢复速度”固有矛盾的调控策略。
③多样化一维生长与制备策略的全景对比： 全面归纳了热蒸发、自催化/催化 VLS、CVD、水热前驱体转化及自上而下的刻蚀等生长制备工艺。深入探讨了无催化剂生长、气相-固相（VS）机制以及基底工程对结构形貌和晶体质量的调控，并对其可扩展性、制备成本与晶体质量进行了横向对比。
④前沿器件架构与多功能应用拓展： 系统总结了金属-半导体-金属（MSM）结构、肖特基结、异质结（如 ZnO/Ga₂O₃、GaN/Ga₂O₃）及光电晶体管等代表性器件架构。重点突出了元素掺杂（如 Mg、Sn、Cu 掺杂）和界面工程在降低暗电流、提升响应度、实现自驱动探测及耐高温（高达 300 ℃）高稳定性探测中的关键作用。
⑥面向下一代集成的交叉前沿展望： 突破传统单功能光电探测的视角，前瞻性地指出了低维 Ga₂O₃ 结构在单光子发射（量子光子学）、阻变存储器（Memristor）以及感存算一体化类脑神经形态计算（Neuromorphic Computing）等新兴交叉领域的巨大应用潜力。
总 结
二维氧化镓（Ga₂O₃）有望成为下一代紫外光电子领域日益重要的平台，因为其固有的低维特性提供了传统块体材料难以实现的功能。特别是，β-Ga₂O₃ 的低对称性单斜晶体结构导致显著的平面内结构各向异性，从而产生取向依赖的光吸收、载流子传输、介电响应和有效质量。与依赖外部偏振器或人工图案化超表面的传统偏振敏感光探测器不同，固有的晶体各向异性能够在材料层面直接进行偏振区分。具体而言，一维 Ga₂O₃ 纳米结构沿特定晶向（如[001]和[010]方向）的优先生长，可有效将偏振方向与各向异性载流子传输路径耦合，从而放大偏振依赖的光电流。对于二维 Ga₂O₃ 纳米片而言，暴露的晶面（包括(100)和(001)面）提供了独特的表面原子构型和面内各向异性电子态，从而实现晶面依赖的偏振响应。当与二维纳米片的原子级薄几何结构相结合时，增强的光-物质相互作用、减弱的介电屏蔽以及强烈的界面可调性进一步增强了各向异性光响应，使二维 Ga₂O₃ 特别适合紧凑的偏振敏感日盲光探测器。因此，未来的研究应聚焦于晶体取向工程、各向异性应变调制和异质结构设计，以充分利用二维 Ga₂O₃ 的偏振依赖电子和光学特性。除了单个光探测器之外，低维 Ga₂O₃ 的未来发展有望向大面积集成系统迈进。一个有前景的方向是通过低温转移印刷或晶片级生长技术，将二维 Ga₂O₃ 与聚酰亚胺、云母和超薄玻璃等柔性基底进行单片集成。结合柔性透明电极、范德华异质结构和机械坚固的封装策略，此类器件能够在重复弯曲条件下保持优异的机械可靠性，同时实现可穿戴日盲紫外监测，用于环境传感、医疗保健、火焰检测和空间应用。 另一个重要趋势是将 Ga₂O₃ 光电探测器与忆阻器和神经形态器件集成到传感器内计算架构中。得益于持久的光电导性、缺陷介导的载流子动力学以及与氧化物电子平台的兼容性，低维 Ga₂O₃ 为在单一硬件平台内集成传感、存储和计算提供了机会。因此，能够进行偏振成像、紫外成像、人工视觉感知和边缘智能的大规模光电探测器阵列是Ga₂O₃ 光电子系统未来发展的重要方向。
项目支持
本研究得到了广西科技计划项目（AD24010060、XT2503960010、AD25069103）、国家自然科学基金（编号52262022、U25A20481、62205080、62361022）以及广西师范大学研究生教育创新项目（2026YCXB005）的支持。
图1 光电导（PPC）表面吸附-脱附模型。（a）暗态下的机理解释；（b）紫外光照射下的机理解释；（c）高光电导增益下的机理解释；（d）撤掉光源后的机理解释。
图2 一维 Ga₂O₃ 纳米结构的形态图像。（a，b）在 Si 上生长的 β-Ga₂O₃ 纳米结构；（c，d）在 AlN/Si 上生长的 β-Ga₂O₃ 纳米结构；（e，f）在 ZnO/Si 基底上生长的 β-Ga₂O₃ 纳米结构；（g，h）α-Ga₂O₃ 和 Mg-Ga₂O₃ 纳米棒；（i）掺 Sn 的 β-Ga₂O₃ 微米线阵列；（j）单根掺 Sn 的 β-Ga₂O₃ 微米线；（k）数百条 Ga₂O₃ 纳米带；（l）一条 Ga₂O₃ 纳米带；（m）Cu:β-Ga₂O₃ 纳米线：低倍放大；（n）Cu:β-Ga₂O₃ 纳米线：高倍放大；（o）通过碳热还原法合成的 β-Ga₂O₃ 纳米结构；（p）垂直 β-Ga₂O₃ 纳米线。
图3 一维 Ga₂O₃ 元素组成和晶体取向的图像。（a）单根掺锡 β-Ga₂O₃ 微线的能量色散谱（EDS）图；（b）单根 β-Ga₂O₃ 微线的 X 射线衍射（XRD）图；（c）α-Ga₂O₃ 和 Mg-Ga₂O₃ 的 XRD 图；（d）17.3 nm β-Ga₂O₃ 纳米带图像；（e）通过碳热还原法合成的 β-Ga₂O₃ 纳米结构的 XRD 图；（f）单晶 β-Ga₂O₃ 纳米线阵列的 XRD 图。
图4 金属-半导体-金属（MSM）光电探测器的光响应行为和性能参数。（a）基于单根掺锡 β-氧化镓（β-Ga₂O₃）微丝的光电探测器在 10 V 电压下，于 254 nm 光照射下，不同光强下的时间依赖性光响应；（b）单根掺锡 β-Ga₂O₃ 紫外探测器在不同偏压下的时间依赖性响应；（c）单根掺锡 β-Ga₂O₃ 微丝光电探测器上升/下降沿的放大图；（d）单根掺锡 β-Ga₂O₃ 微丝光电探测器在 10 V 电压下对不同光强的响应率；（e）铜掺杂 β-Ga₂O₃ 纳米线光电探测器在 10 V 电压下，不同光功率密度下的电流-时间（I-t）曲线；（f）铜掺杂 β-Ga₂O₃ 纳米线光电探测器在不同电压下的 I–t 曲线；（g）铜掺杂 β-Ga₂O₃ 纳米线光电探测器对偏压的光电流依赖性；（h）单根 254 nm 铜掺杂 β-Ga₂O₃ 纳米线紫外光电探测器在单一 254 nm 紫外脉冲照射下的时间响应曲线。
图5. 退火处理对 β-Ga₂O₃ 纳米带 MSM 日盲紫外光探测器暗电流和光电流特性的影响。（a）对数坐标下不同退火温度 Ta 下 β-Ga₂O₃ 纳米带 MSM 日盲紫外光探测器的 Idark 曲线；（b）线性坐标下不同 Ta 下 β-Ga₂O₃ 纳米带 MSM 日盲紫外光探测器的 Idark 曲线；（c，d）不同 Ta 下 β-Ga₂O₃ 纳米带 MSM 日盲紫外光探测器的 Iphoto 曲线。
图6 掺镁 α-Ga₂O₃ 自供电日盲紫外光电探测器的综合光电性能。（a）α-Ga₂O₃ 和掺镁 α-Ga₂O₃ 的光谱响应；（b）在 0 V 偏压、254 nm 光照和不同光强下，两个自供电日盲紫外光电探测器（SBPDs）的 α-Ga₂O₃ 和掺镁 α-Ga₂O₃ 的 I–T 曲线对比；（c）两个自供电光电探测器（SBPDs）的 α-Ga₂O₃ 和掺镁 α-Ga₂O₃ 的时间响应对比；（d）两个自供电日盲紫外光电探测器（SBPDs）的 α-Ga₂O₃ 和掺镁 α-Ga₂O₃ 的响应率随光功率密度的变化；（e）两个自供电日盲紫外光电探测器（SBPDs）的 α-Ga₂O₃ 和掺镁 α-Ga₂O₃ 的探测率对比；（f）不同光功率密度下 α-Ga₂O₃ 和掺镁 α-Ga₂O₃ 的光暗电流比；（g）掺镁 α-Ga₂O₃ 自供电日盲紫外光电探测器的稳定性测试曲线；（h）与先前报道的工作相比，掺镁 α-Ga₂O₃ 自供电日盲紫外光电探测器的响应率和时间响应。
图7 β-Ga₂O₃/GaN 纳米线异质结日盲紫外光探测器的器件结构、光响应特性和载流子传输机制。（a）β-Ga₂O₃/GaN 纳米线光探测器的示意图；（b）GaN 纳米线的 I–V 特性；（c）β-Ga₂O₃/GaN 纳米线光探测器的示意图；（d）β-Ga₂O₃/GaN 纳米线紫外探测器的 I–V 特性；（e）在 10 V 偏压下，254 nm 紫外光照射下 β-Ga₂O₃/GaN 纳米线紫外探测器的光电流-时间响应；（f）β-Ga₂O₃/GaN 纳米线在一个周期内的光电流-时间响应；（g）β-Ga₂O₃ 接触 GaN 之前的能带示意图；（h）0 V 偏压下（接触后）β-Ga₂O₃/GaN 纳米线的能带示意图。
图8 基于 β-Ga₂O₃ 纳米线的可拉伸紫外盲光探测器的应变稳定性分析。（a）在 0-50%-0%的拉伸应变下循环 500 次后，器件的光电流和暗电流随 β-Ga₂O₃ 纳米线变化；（b）在 0-50%-0%的拉伸应变下循环 500 次后，器件的光电流变化率和暗电流变化率随 β-Ga₂O₃ 纳米线变化。
图9 α-Ga₂O₃ 光电化学光电探测器中的界面能带调制和波长依赖的光电流产生机制。（a）i）FTO/α-Ga₂O₃ 纳米棒阵列（NRAs）/NaOH 电解质界面的能带示意图；ii）FTO/β-Ga₂O₃ 纳米棒阵列/NaOH 电解质界面的能带示意图；iii）FTO/经氧处理的 α-Ga₂O₃ 纳米棒阵列/NaOH 电解质界面的能带示意图；b）α-Ga₂O₃ 光电化学（PEC）中的光电流切换机制；i）在 255 nm 正电位下的阳极光电流产生；ii）在 310 nm 正电位下的阳极光电流产生；iii）在 255 nm 负电位下的阴极光电流产生；iv）在 310 nm 负电位下无光电流产生。
图10 通过不同合成和结构工程策略制备的二维 Ga₂O₃ 材料的形态表征。（a）采用水热法合成的二维 Ga₂O₃ 的原子力显微镜（AFM）图像；（b）剥离的 β-Ga₂O₃ 微片表面相对平坦；表面粗糙度为 0.47 nm；（c）未退火的 GaSe，图中标记线处为高度轮廓；（d）在 1000 °C 下退火 30 分钟后转化为 β-Ga₂O₃ 的 GaSe；（e）二维 Ga₂O₃ 俯视图；（f）样品的二维 Ga₂O₃ 横截面图；（g-i）具有方形纳米孔阵列的 β-Ga₂O₃ 微片多分散体（PDs）的扫描电子显微镜图像，其中方形纳米孔的周期均为 500 nm，宽度分别为（S1）100 nm、（S2）200 nm 和（S3）300 nm。
图11 β-Ga₂O₃ 的结构演变和相变。（a）S1-S3 样品中 β-Ga₂O₃ 微片的厚度分别为 384、416 和 453 纳米；（b）退火前后 GaSe 和 β-Ga₂O₃ 薄片的高度轮廓；（c-d）氧化后和随后退火后的 β-Ga₂O₃ 微片的 X 射线衍射（XRD）图；（e）β-Ga₂O₃ 微片的光电子能谱XRD图；（f）β-Ga₂O₃ 微片的 XPS 图。
图12 二维 β-Ga₂O₃ 纳米片的限域合成与结构表征。（a）二维 β-Ga₂O₃ 纳米片的限域合成示意图；（b）SiO₂/Si 基底上的二维 β-Ga₂O₃ 纳米片的光学显微镜（OM）图像；（c）β-Ga₂O₃ 纳米片的原子力显微镜（AFM）形貌图及对应的高度轮廓；（d）β-Ga₂O₃ 纳米片的拉曼光谱；（e）201 cm⁻¹ 处的拉曼映射图像；（f）β-Ga₂O₃ 纳米片的 X 射线光电子能谱（XPS）中 Ga 3d 谱图；（g）O 1s 谱图。
图13 Bi/Ga₂O₃ 异质结光电探测器的光电探测性能和界面能带排列机制。（a）不同光强下 254 nm 照射下 Bi/Ga₂O₃ 异质结光电器件的 I–V 曲线；（b）Bi/Ga₂O₃ 光电探测器（PD）的响应率和比探测率随入射光强的变化；（c）不同光强下 Bi/Ga₂O₃ PD 的外量子效率（EQE）和反向光电流（PDCR）；（d）不同偏压下 Bi/Ga₂O₃ PD 的时间依赖电流；（e）接触前 Bi 和 Ga₂O₃ 的能带图；（f）紫外光照射下正向偏压下 Bi/Ga₂O₃ PD 的能带图。
图14 氧化锆镓（ZrGaO）薄膜在氧化铟镓锌（IGZO）基底上的制备与结构表征。（a）ZrGaO 薄膜在 IGZO 基底上的转移过程示意图；（b）Ga₂O₃/IGZO 和 ZrGaO/IGZO 紫外光光化学沉积（UVPD）样品的 X 射线衍射（XRD）图；（c）IGZO 基底上的 ZrGaO 薄膜光学照片；（d）ZrGaO 和 IGZO 的对应原子力显微镜（AFM）图像。
图15 Ga₂O₃/GaN 纳米线忆阻突触中的光诱导载流子传输和氧空位介导的突触机制。（a）紫外光照射下的人工突触器件示意图；（b）第一次在255 纳米光激发下 Ga₂O₃/GaN 纳米线的能带示意图；（c）无光激发下 Ga₂O₃/GaN 纳米线的能带示意图；（d）第二次 255 光纳米激发下 Ga₂O₃/GaN 纳米线的能带示意图。
DOI：
doi.org/10.1016/j.jallcom.2026.191098
