近日，上海电机学院王相虎教授的研究团队在学术期刊Semiconductor Science and Technology发布了一篇名为Recent advances in heterojunction engineering of β-Ga2O3-based solar-blind ultraviolet photodetectors（基于 β-Ga2O3的日盲紫外光探测器异质结工程的最新进展）的文章。
在火焰探测、导弹追踪及空间通信等前沿领域，对日盲紫外（Solar-blind UV）探测器的高性能需求日益增长。氧化镓（β-Ga2O3）凭借其天然的超宽带隙和卓越的化学稳定性，成为该领域最具潜力的材料，但传统的单相氧化镓器件常受限于严重的持久光电导效应（PPC）、高暗电流以及对外部电源的依赖。为了克服这些瓶颈，研究者们通过引入异质结工程（Heterojunction Engineering），利用不同材料（如p型氧化物、宽禁带半导体或低维材料）与氧化镓构建能带差异，从而利用强大的内置电场加速载流子分离，这不仅能显著抑制噪声和提升响应速度，更为实现高灵敏度的自供电探测开辟了关键技术路径。
近年来，环境监测、专业检测和空间通信等领域对高性能光电探测器的需求显著增长。日盲紫外（SBUV）光电探测器因其独特的光谱选择性和高灵敏度而成为研究热点。作为一种超宽带隙半导体材料（约4.9 eV），β-Ga2O3 因其优异的本征特性，包括高击穿场强、出色的热稳定性和在SBUV波段内的优异响应，被视为SBUV探测领域极具潜力的材料。研究表明，构建基于 β-Ga2O3 的异质结能有效调节界面带结构，显著提高光生载流子分离效率，在抑制暗电流的同时提高器件响应率，并为解决传统光电探测器的性能局限提供了潜在途径。基于材料-器件协同优化框架，本综述系统总结了 β-Ga2O3 异质结SBUV光电探测器的最新研究进展，重点关注了从材料属性调制、异质结界面工程和器件结构设计三个维度进行性能优化的策略。同时，还讨论了未来的发展方向。
图1：(a) Ga2O3 多晶的相互转化关系，(b) β-Ga2O3 的晶体结构和晶格常数。
创新点：● 探讨了通过界面工程、掺杂调控和纳米结构设计（如纳米柱、核壳结构）来降低暗电流并提高比探测率（Detectivity）的技术路径。● 详细讨论了基于光伏效应（Photovoltaic effect）的自供电探测器，强调了内置电场在实现零功耗探测中的核心作用。● 除了基础的光电性能，综述还展示了异质结探测器在成像阵列、柔性电子器件以及逻辑运算（如光电逻辑门）等新兴领域的应用潜力。● 指出了大规模、高质量异质外延生长以及界面缺陷态的精确表征是未来实现商业化应用的关键挑战。
展望未来，β-Ga2O3 异质结光电探测器的发展将沿着三条主要轨迹前进。在材料研究方面，深入理解掺杂机制以发现可行的p型掺杂解决方案，以及探索与 β-Ga2O3 结合的新型材料组合，可能至关重要；多技术融合方法应优化异质界面质量和能带结构，以提高器件性能。在器件设计和制造方面，预计架构方面的持续创新——包括新型异质结配置、纳米结构化和微/纳米制造——将推动小型化、集成化和功能智能化，而精细化的生长技术必须提高薄膜质量、生产一致性和成本效益。在应用拓展方面，5G通信和物联网等新兴技术将推动 β-Ga2O3 光电探测器在高速光网络、环境监测系统和可穿戴电子设备中的更广泛应用。此外，β-Ga2O3 光电探测器与其他片上光子元件的集成正成为关键方向。近期的一些演示，如硅基底上通过金属有机化学气相沉积（MOCVD）生长的Ga2O3 光波导，为结合检测、调制和路由功能的小型单片式SBUV光子系统铺平了道路。除了硬件集成外，这些器件与人工智能和大数据分析的进一步融合，将在更广泛的网络中赋能智能传感、实时诊断和自主决策。通过持续解决技术瓶颈，β-Ga2O3 异质结光电探测器将在光电子领域发挥越来越重要的作用，加速多个行业的工业进步。
图2：(Ga2O3/GaN异质结器件中的宽光谱响应与逻辑功能集成。（a）基于Ga2O3/GaN异质结的MSM器件的宽光谱响应示意图，红色箭头表示Ga2O3 的光响应，蓝色箭头表示GaN的光响应；（b）和（c）在10 V偏压下，器件S 30 – S 360在254 nm光照下的光暗电流比（PDCR）；（d）和（e）在254 nm和365 nm光照下，“或”门和“与”门的输出，参考电流设置为1.5 mA。
本研究工作得到了国家自然科学基金委基金项目支持。
论文链接：https:// doi.org/10.1088/1361-6641/ae4263
