北邮吴真平/南开张杨/香港理工郝建华Nature Communications：基于晶格与能带工程的氧化镓基单极势垒日盲雪崩探测器

1.【导读】

氧化镓（Ga₂O₃）是近年来备受关注的超宽禁带半导体材料，其禁带宽度（~ 4.9 eV）与日盲波段匹配，是公认的制备日盲探测器最有竞争力的材料，在臭氧空洞检测、紫外通讯等领域具有十分重要的潜在应用。中科院&科睿唯安《2021研究前沿热度指数》也将“基于Ga₂O₃的日盲紫外光电探测器”列为物理学十大前沿研究热点之一。但迄今报导的Ga₂O₃基日盲探测器性能仍落后于目前商用的光电倍增管，如何进一步提高器件性能成为日盲探测领域重要问题。由于p型氧化镓实现较为困难，加上晶格和能带匹配的制约，传统p-n型氧化镓雪崩探测器件尚未有报道，目前研究主要集中在基于n-n型异质结的雪崩探测器上。要进一步提升器件雪崩增益，需构建具有较大势垒高度的Ga₂O₃异质结来实现。同时，构成异质结的材料需要具备良好的晶格匹配，否则界面处产生的缺陷会对器件的性能造成极大的影响。因此，深入开发高性能的Ga₂O₃日盲探测器需要对上述问题进行综合考量。

2.【成果掠影】

近日，北京邮电大学理学院吴真平教授研究组联合南开大学张杨教授研究组、香港理工大学郝建华教授研究组创新性地引入晶格和能带工程调控，经过不断探索，成功研发了由β-Ga₂O₃/MgO/Nb:SrTiO₃异质结组成的n-Barrier-n单极势垒型雪崩光电探测器，该器件获得了高达5.9 × 10⁵的雪崩增益，以及2.33 × 10¹⁶Jones的比探测率，其出色的性能突破现有日盲紫外探测器的探测极限，达到目前商业应用的光电倍增管水平，为发展高性能日盲雪崩探测器提供了新的设计思路。单极势垒型氧化镓（Ga₂O₃）基雪崩日盲探测器，相关成果“Enhanced Gain and Detectivity of Unipolar Barrier Solar Blind Avalanche Photodetector via Lattice and Band Engineering”近日发表于国际学术期刊Nature Communications。

3.【核心创新点】

通过插入合适的宽带隙材料（MgO）对势垒高度进行了调整，成功研发了由β-Ga₂O₃/MgO/Nb:SrTiO₃异质结组成的n-Barrier-n单极势垒型雪崩光电探测器，其较大的导带偏移量提高了反向击穿电压并显著抑制了暗电流，极小的价带偏移则促进了异质结的少数载流子的流动。

4.【论文掠影】

图1. n-B-n单极势垒异质结构的生长及结构表征。

(a) Ga₂O₃、MgO和Nb:STO异质结构生长示意图。(b)RHEED图。(c)截面SEM图。(d) XRD θ-2θ扫描。(e) XRD Φ-scan。(f)横截面异质结构的原子排布图。(g)界面氧原子排布图。©2023 The Author(s)

图2. n-B-n单极势垒异质结构的XPS表征和能带图。

(a)界面价带谱(VBM)和核能级。平衡条件(b)和雪崩条件(c)下Ga₂O₃/MgO/Nb:STO异质结构的能带图。(d) n-B-n单极势垒APD雪崩过程图解。©2023 The Author(s)

图3. n-B-n单极势垒异质结构与n-n型异质结构雪崩探测器的性能比较。

(a) Ga₂O₃/MgO/Nb:STO n-B-n单极势垒APD和Ga₂O₃/Nb:STO n-n型APD的器件示意图。(b) I-V特性曲线。(c)在黑暗和紫外线照射下的反向I-V曲线;右轴表示增益。(d)比探测率和LDR对比图。©2023 The Author(s)

图4. n-B-n单极势垒APD的光响应特性。

(a) n-B-n单极势垒APD在黑暗和不同强度254 nm光照条件下反向偏压I-V特性。响应度(b)和比探测率(c)随着光强和反向偏压变化的图像。(d)反向偏压下的光谱响应。(e)瞬态响应曲线;插图为放大的上升沿。(f) n-B-n单极势垒APD在10⁴次光开关循环中的稳定性测试。©2023 The Author(s)

图5. Ga₂O₃/MgO/Nb:STO n-B-n单极势垒型雪崩探测器与迄今报道的雪崩光电探测器和光电倍增管的性能比较。a)响应度，比探测性及增益对比。(b)尺寸、结构和集成兼容性方面比较。©2023 The Author(s)

5.【总结展望】

该研究创造性地提出了一种通过晶格和能带工程调控并设计n-B-n单极势垒型Ga₂O₃雪崩探测器的方法，这种设计成功地使器件性能得到了显著提升，同时该研究中涉及到的器件性能展示出Ga₂O₃在下一代功率器件和光电器件中的超大潜力。这种开创性的设计也为未来更高性能的Ga₂O₃电子器件研究提供了崭新的思路。

文献链接：Enhanced gain and detectivity of unipolar barrier solar blind avalanche photodetector via lattice and band engineering，2023，https://doi.org/10.1038/s41467-023-36117-8

本文由作者供稿