从能带工程到深紫外探测：内蒙古大学&南京邮电大学针对Ga₂O₃合金的研究

由内蒙古大学和南京邮电大学研究团队在学术期刊Nanotechnology发布了一篇名为 Energy-band engineering and deep-ultraviolet photodetection of Ga₂O₃ alloys: a concise review（Ga₂O₃ 合金的能带工程与深紫外光探测：简明综述）的文章。内蒙古大学刘增研究员为本文第一作者。

1.  项目支持

本工作得到了以下项目的资助：国家自然科学基金青年科学基金（项目编号：62204125）；内蒙古大学 2025 年实验技术研究项目（自制与改造设备项目，项目编号：SYJS2025004）；内蒙古大学“骏马计划”高层次人才引进项目（项目编号：10000-23112101/285 和 10000-23112101/277）；内蒙古自治区高校创新团队项目（项目编号：NMGIRT2503）；国家自然科学基金联合基金（项目编号：U23A20349）；苏州市关键技术项目（项目编号：SYG2024003）；以及江苏省创新创业团队项目（项目编号：JSSCTD202351）。

2.  主要内容

基于氧化镓（Ga₂O₃）的日盲紫外光探测器因其在新一代固态光电子学与电子学中的应用前景而备受关注。为满足宽带光探测、可调能带、可调载流子浓度以及高效载流子跃迁等需求，通过掺杂实现的合金化工程逐渐成为研究重点之一。本综述旨在从能带工程的角度理解光探测性能。尤其是对于典型的 (In_xGa_1-x)₂O₃ 和 (Al_yGa_1-y)₂O₃ 合金体系，由于高能态的空 Al 3s 和 In 5s 轨道被引入并与 Ga 4s 轨道发生杂化，导带边缘整体上移。这一结果使得材料具有较低的电子有效质量和较高的电子迁移率，从而实现了日盲紫外光探测的高质量可调性能。因此，本文将从能带理论的视角，综述和探讨合金化 Ga₂O₃ 在光探测领域的最新研究进展。

3.  展望

本综述概述了能带工程及可调深紫外光电探测领域的重要进展和持续努力。通过合金化，尤其是引入结构相似的 III 族元素（如 In 和 Al）、掺杂其他元素（如 N、Ir、Ti、Zn）或调控本征缺陷，为调节能隙、载流子浓度及载流子输运行为提供了有效途径。这些能力对优化光电探测器性能至关重要，例如波长选择性、光响应度及响应速度，可满足从火焰感测到安全通信等多种应用需求。

尽管已经取得了令人鼓舞的进展，但仍存在若干关键挑战和令人期待的机会：

1.p型掺杂：在宽禁带 Ga₂O₃ 及其合金中实现稳定、高效的 p 型导电性仍是关键瓶颈。尽管已有一定进展（如 N 掺杂、Ir 合金化），但如何克服本征缺陷自补偿及低受主溶解度问题，对于实现高性能双极器件（如p–n  同质结）至关重要。未来研究需探索新型受主掺杂、共掺杂策略或非平衡生长技术。

2.缺陷控制与理解：掺杂和合金化在调节能隙的同时不可避免地引入缺陷（点缺陷、复合缺陷、位错、晶界等），这些缺陷可作为陷阱或复合中心，降低载流子寿命、迁移率及器件稳定性。深入理解缺陷形成机制、其在能隙中的能级以及对光电性能的具体影响，结合先进表征手段与计算模拟，是关键研究方向。同时，在材料生长和器件制备过程中开发有效缺陷钝化或抑制策略至关重要。

3.合金均匀性与相稳定性：在较高掺杂浓度下实现均匀组成并维持相稳定性存在挑战，主要由于晶格不匹配及热力学性质差异。进一步优化生长技术，以减少相分离和结构缺陷，从而提升材料质量和器件性能，是亟需解决的问题。

4.器件集成与可靠性：将改进的材料性能转化为稳健、可靠、可制造的器件，需要克服接触形成、表面钝化、封装以及长期运行稳定性等挑战。

基于 Ga₂O₃ 合金的深紫外光电探测器领域潜力巨大。持续开展材料科学、物理学、化学与器件工程的跨学科研究至关重要。解决上述挑战将为下一代深紫外光电器件的发展铺平道路，实现前所未有的性能和功能，广泛应用于环境监测、工业过程控制、国防及航天等领域。

图 1. (a) 允许的直接跃迁示意图；(b) 间接跃迁示意图，用于直接能带半导体。

图 2. 能带示意图，用于理解带间载流子传输：掺杂浓度对载流子浓度及费米能级（EF）位置的影响。