北郵吳真平/南開張楊/香港理工郝建華Nature Communications：基于晶格與能帶工程的氧化鎵基單極勢壘日盲雪崩探測器

1.【導讀】

氧化鎵（Ga₂O₃）是近年來備受關注的超寬禁帶半導體材料，其禁帶寬度（~ 4.9 eV）與日盲波段匹配，是公認的制備日盲探測器最有競爭力的材料，在臭氧空洞檢測、紫外通訊等領域具有十分重要的潛在應用。中科院&科睿唯安《2021研究前沿熱度指數》也將“基于Ga₂O₃的日盲紫外光電探測器”列為物理學十大前沿研究熱點之一。但迄今報導的Ga₂O₃基日盲探測器性能仍落后于目前商用的光電倍增管，如何進一步提高器件性能成為日盲探測領域重要問題。由于p型氧化鎵實現較為困難，加上晶格和能帶匹配的制約，傳統p-n型氧化鎵雪崩探測器件尚未有報道，目前研究主要集中在基于n-n型異質結的雪崩探測器上。要進一步提升器件雪崩增益，需構建具有較大勢壘高度的Ga₂O₃異質結來實現。同時，構成異質結的材料需要具備良好的晶格匹配，否則界面處產生的缺陷會對器件的性能造成極大的影響。因此，深入開發高性能的Ga₂O₃日盲探測器需要對上述問題進行綜合考量。

2.【成果掠影】

近日，北京郵電大學理學院吳真平教授研究組聯合南開大學張楊教授研究組、香港理工大學郝建華教授研究組創新性地引入晶格和能帶工程調控，經過不斷探索，成功研發了由β-Ga₂O₃/MgO/Nb:SrTiO₃異質結組成的n-Barrier-n單極勢壘型雪崩光電探測器，該器件獲得了高達5.9 × 10⁵的雪崩增益，以及2.33 × 10¹⁶ Jones的比探測率，其出色的性能突破現有日盲紫外探測器的探測極限，達到目前商業應用的光電倍增管水平，為發展高性能日盲雪崩探測器提供了新的設計思路。單極勢壘型氧化鎵（Ga₂O₃）基雪崩日盲探測器，相關成果“Enhanced Gain and Detectivity of Unipolar Barrier Solar Blind Avalanche Photodetector via Lattice and Band Engineering”近日發表于國際學術期刊Nature Communications。

3.【核心創新點】

通過插入合適的寬帶隙材料（MgO）對勢壘高度進行了調整，成功研發了由β-Ga₂O₃/MgO/Nb:SrTiO₃異質結組成的n-Barrier-n單極勢壘型雪崩光電探測器，其較大的導帶偏移量提高了反向擊穿電壓并顯著抑制了暗電流，極小的價帶偏移則促進了異質結的少數載流子的流動。

4.【論文掠影】

圖1. n-B-n單極勢壘異質結構的生長及結構表征。

(a) Ga₂O₃、MgO和Nb:STO異質結構生長示意圖。(b)RHEED圖。(c)截面SEM圖。(d) XRD θ-2θ掃描。(e) XRD Φ-scan。(f)橫截面異質結構的原子排布圖。(g)界面氧原子排布圖。?2023 The Author(s)

圖2. n-B-n單極勢壘異質結構的XPS表征和能帶圖。

(a)界面價帶譜(VBM)和核能級。平衡條件(b)和雪崩條件(c)下Ga₂O₃/MgO/Nb:STO異質結構的能帶圖。(d) n-B-n單極勢壘APD雪崩過程圖解。?2023 The Author(s)

圖3. n-B-n單極勢壘異質結構與n-n型異質結構雪崩探測器的性能比較。

(a) Ga₂O₃/MgO/Nb:STO n-B-n單極勢壘APD和Ga₂O₃/Nb:STO n-n型APD的器件示意圖。(b) I-V特性曲線。(c)在黑暗和紫外線照射下的反向I-V曲線;右軸表示增益。(d)比探測率和LDR對比圖。?2023 The Author(s)

圖4. n-B-n單極勢壘APD的光響應特性。

(a) n-B-n單極勢壘APD在黑暗和不同強度254 nm光照條件下反向偏壓I-V特性。響應度(b)和比探測率(c)隨著光強和反向偏壓變化的圖像。(d)反向偏壓下的光譜響應。(e)瞬態響應曲線;插圖為放大的上升沿。(f) n-B-n單極勢壘APD在10⁴次光開關循環中的穩定性測試。?2023 The Author(s)

圖5. Ga₂O₃/MgO/Nb:STO n-B-n單極勢壘型雪崩探測器與迄今報道的雪崩光電探測器和光電倍增管的性能比較。a)響應度，比探測性及增益對比。(b)尺寸、結構和集成兼容性方面比較。?2023 The Author(s)

5.【總結展望】

該研究創造性地提出了一種通過晶格和能帶工程調控并設計n-B-n單極勢壘型Ga₂O₃雪崩探測器的方法，這種設計成功地使器件性能得到了顯著提升，同時該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電器件中的超大潛力。這種開創性的設計也為未來更高性能的Ga₂O₃電子器件研究提供了嶄新的思路。

文獻鏈接：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