南京邮电大学:基于热路径工程实现β-Ga₂O₃谐振纳机电传感器响应度与速度协同调控

由南京邮电大学的研究团队在学术期刊 ACS Applied Electronic Materials 发布了一篇名为 Tailoring Responsivity and Speed in Ga₂O₃-Resonant Nanoelectromechanical Systems Sensors via Thermal Pathway Engineering（基于热路径工程调控 Ga₂O₃ 谐振纳机电传感器的响应度与响应速度）的文章。

日盲紫外探测、气体传感等领域对高性能传感器需求持续攀升，β-Ga₂O₃ 作为典型超宽禁带半导体，兼具优异机械性能、热稳定性与光电特性，在微纳机电传感器件中具备巨大应用潜力。传统光电类传感器依赖载流子输运实现信号转换，易受暗电流、载流子复合、持续光电导等问题制约，灵敏度与响应速度难以同时兼顾，成为器件性能提升的主要瓶颈。当前主流 β-Ga₂O₃ 基传感器多采用光电导工作模式，针对光热耦合型谐振体系的研究相对匮乏，该类器件普遍存在响应度与响应速度相互制约的固有矛盾，难以根据不同应用场景灵活调配性能参数。同时，现有研究大多仅聚焦单一性能优化，缺少从热传导路径入手、系统性调控器件热学与力学特性的设计思路，无法形成可通用的器件优化方案，面向动态监测、静态环境监测等差异化应用需求的可调谐 β-Ga₂O₃ 谐振式光热传感器研发，成为当前该领域亟待填补的研究空白。

谐振式光热传感器规避了载流子动力学带来的限制，是传统光电探测器的优良替代方案，但该类器件普遍存在响应度与响应速度相互制衡的固有问题。该团队提出一种基于热路径工程的设计策略，以此平衡两项性能指标。研究将热导率作为核心设计参数，实现传感器性能的按需调控，并以两端固支 β-Ga₂O₃ 纳机电谐振器为研究对象，借助多物理场仿真完成热力转换特性优化。结果表明，通过调控谐振器几何结构、增设电极热分流结构，可精准控制谐振频率的变化。器件频率响应度可达 -175.5 Hz/nW，噪声等效功率为 2.5 × 10⁻¹³ W/Hz¹ᐟ²。借助热分流结构，器件响应时间可从毫秒级缩短至微秒级。该研究为可定制化谐振光学传感器件提供了通用设计方法。

•提出热路径工程调控策略，解决谐振式光热传感器响应度与响应速度相互制约的问题。

•以两端固支 β-Ga₂O₃ 纳机电谐振器为载体，结合多物理场仿真验证性能调控方案。

•器件实现 -175.5 Hz/nW 的频率响应度，噪声等效功率低至 2.5 × 10⁻¹³ W/Hz¹ᐟ²。

•利用电极热分流结构，将器件响应时间由毫秒级提升至微秒级。

该团队结合理论分析与 COMSOL 仿真，探究了两端固支型 β-Ga₂O₃ 谐振器的热响应特性。深紫外光照射会通过光热效应改变器件温度，引发热膨胀与应力重新分布，最终使谐振频率发生明显偏移，器件频率响应度可达 -175.5 Hz/nW。仿真结果表明，接触热阻、谐振器厚度与长度是影响器件响应特性的关键参数，对谐振器厚度和接触热阻进行优化，能够有效提升器件响应度。此外，引入金电极可显著降低器件工作温度，并将响应时间从毫秒级缩短至微秒级。本研究建立了一套设计框架，可通过调控电极尺寸与材料，实现谐振式机电传感器响应度、响应速度的定向优化，为同类器件开发提供参考。

本研究得到江苏省创新创业团队项目（grant JSSCTD202351）、江苏省基础研究计划（grant BK20230360）、江苏省青年科技人才托举工程（grant JSTJ-2024-428）以及电子测试测量技术科技重点实验室开放基金（grant 2024-DZCSJS-02）的资助。

图 1. β-Ga₂O₃ 纳机电谐振器的结构与日盲紫外传感机理。

图 2. 热响应分析。(a) 热流密度为 1 W/cm² 条件下的仿真温度分布；(b) 器件中心线处的温度与应变分布，误差棒代表温度、应变空间分布的标准差；(c) 热流密度与温度对热应力的影响；(d) 不同初始应力下谐振频率的仿真值与计算值；(e) 不同光强下的频率偏移量。

图 3. 不同初始应力条件下、长度介于 10~20 μm（b）、厚度介于 10~1000 nm（a）、接触热阻介于 1~30 K/μW（c）时 β-Ga₂O₃ 纳机电谐振器的响应度。

图 4. 日盲紫外探测测试。(a) 周期性热流作用下器件的温度与谐振频率变化；(b) 不同接触热阻对应的谐振器频率响应，插图为接触热阻与响应时间的对应关系。

图 5. 引入金电极开展器件性能调控。(a) 器件三维结构及截面示意图，电极总长度为 2b + w，a、c 分别代表电极宽度与厚度；(b) 不同电极尺寸下器件的温度变化；(c) 不同电极厚度（插图为电极宽度）对应的响应度与噪声等效功率；(d) 响应时间随电极厚度的变化关系（插图为电极宽度对应的变化曲线），误差棒代表解析拟合所得参数的不确定度。

DOI：

doi.org/10.1021/acsaelm.6c00366

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