由中国科学技术大学龙世兵教授的研究团队在学术会议2025 22nd China International Forum on Solid State Lighting & 2025 11th International Forum on Wide Bandgap Semiconductors (SSLCHINA: IFWS)发布了一篇名为 a-SnOx/β-Ga2O3 Junction Field-effect Phototransistor with High Responsivity and Fast Response Speed（具有高响应度和快速响应速度的 a-SnOx/β-Ga2O3 结场效应光电晶体管）的文章。

01 背景

氧化镓（β-Ga2O3）凭借其约 4.9 eV 的超宽禁带，其吸收截止波长在 280 nm 以下，能够天然过滤太阳光谱中的紫外线，是制造高性能日盲紫外探测器（SBPD）的理想材料。此外，β-Ga2O3 具有极佳的热稳定性，且其易解理的 (100) 晶面为制备低维纳米结构提供了便利。然而，该领域目前面临肖特基二极管或 PN 结等传统的两终端探测器普遍存在光电导增益有限、噪声抑制能力差以及响应速度受限等问题，且缺乏动态调制电流的栅极控制能力。以及 β-Ga2O3 极难实现有效的 p 型掺杂，严重制约了高性能同质结器件的开发。研究者倾向于寻找合适的 p 型半导体与 Ga2O3 构建异质结。在众多候选者中，氧化锡（SnO）因其具有本征 p 型导电性、约 2.8 eV 的直接带隙以及比 NiO 或 CuO 更高的空穴浓度和迁移率，成为构建高质量 PN 异质结的优选方案。

02 主要内容

氧化镓（Ga2O3）以其卓越的特性而闻名，使其成为日盲光电探测器的理想材料。本研究基于非晶态 (a-) SnOx(1 < x < 2)/β-Ga2O3 纳米片异质结场效应晶体管，成功制备出高性能日盲紫外光电晶体管。该器件在 254 nm 波长照射下展现出优异的光电特性，弱光照条件下响应度高达 1.16×104 A/W。随着紫外光照增强，器件展现出超快响应特性，上升时间可达 487 μs。其卓越性能源于：强界面内建电场实现高效载流子分离与复合抑制；SnOx 中困住电荷引发的光门控效应；以及晶体管跨导放大机制。该器件为日盲光检测技术提供了极具前景的解决方案。

03 研究亮点

•不同于传统的二端探测器，该三端 JFEPT 结构允许通过栅极电压动态调节沟道电流，并通过晶体管的跨导特性实现对光电流的显著放大。

•通过异质结界面电场的引入，有效抑制了载流子复合并加速了光致载流子的排除，从而在保持高增益的同时，成功将响应速度提升至微秒量级，解决了氧化镓器件常见的关断缓慢问题。

04 总结

通过采用 a-SnOx/β-Ga2O3 结型场效应晶体管结构，并利用 N2 退火优化 SnOx 层，成功实现了高性能的单板式场效应晶体管。该器件在紫外照射（1.766 μW/cm2）下展现出 1.16 × 104 A/W 的卓越响应度，并具备 1.03×106 的高 PDCR。随着紫外照射强度增加，其上升时间仍保持在 487 μs 的快速水平。总体而言，这项工作为设计和优化下一代 Ga2O3 基 SBPD 提供了有前景的策略。

05 项目支持

本研究部分得到了中国国家重点研发计划（2024YFA1208800，2023YFB3610200）、国家自然科学基金（62304215，62171426）、中国科学技术大学（WK2100000056）以及中国科学技术大学微纳研究与制造中心的部分资助。

图1. (a) JFEPT 器件结构示意图。(b) Ga2O3 与 SnOx 的原子力显微镜图像。(c) 新沉积与退火样品的 Sn 3d XPS 谱图。(d) β-Ga2O3 与 SnOx 的透射光谱及其拟合带隙宽度。

图2. (a) Ga2O3 纳米片（红线）的 I-V 曲线与 SnOx 在 Ni/Au 电极下的欧姆特性（蓝线）。(b) SnOx/Ga2O3 PN 结的整流 I-V 曲线。(c) 暗光下 a-SnOx/β-Ga2O3 结型场效应薄膜晶体管的转移曲线（Vds 从 1 V 至 9 V）。插图显示双扫转移曲线。(d) 暗光及不同强度 254 nm 光照射下 a-SnOx/β-Ga2O3 结型场效应薄膜晶体管的转移曲线。(e) 光阈电压偏移 (ΔVth) 随光强变化及 Vg = −3 V 时光电流与光强关系。(f) JFEPT 的 PDCR 与 R 随光强变化曲线。

图3. (a) 不同光照强度下 a-SnOx/β-Ga2O3 JFEPT 的 I-t 曲线（Vg = −5 V, Vds = 1 V）。(b) JFEPT 器件在 Vg = −5 V 及 1048 μW/cm2 光照下的 I–t 曲线放大图（示波器捕捉）。(c) 器件响应时间与光强度的关系曲线。(d) 器件响应时间与栅极电压的关系曲线。