北郵在氧化鎵基日盲雪崩探測(cè)器研究領(lǐng)域取得新突破

氧化鎵

氧化鎵（Ga?O?）是近年來備受關(guān)注的超寬禁帶半導(dǎo)體材料，其禁帶寬度（~ 4.9 eV）與日盲波段匹配，是公認(rèn)的制備日盲探測(cè)器最有競爭力的材料，在臭氧空洞檢測(cè)、紫外通訊等領(lǐng)域具有十分重要的潛在應(yīng)用。

近日，北京郵電大學(xué)理學(xué)院吳真平教授研究組聯(lián)合南開大學(xué)、香港理工大學(xué)有關(guān)研究組創(chuàng)新性地引入晶格和能帶工程調(diào)控，成功研發(fā)了單極勢(shì)壘型氧化鎵（Ga?O?）基日盲雪崩探測(cè)器，器件性能突破現(xiàn)有日盲紫外探測(cè)器的探測(cè)極限，達(dá)到目前商業(yè)應(yīng)用的光電倍增管水平，為發(fā)展高性能日盲雪崩探測(cè)器提供了新的設(shè)計(jì)思路。2023年1月26日，相關(guān)成果以“Enhanced Gain and Detectivity of Unipolar Barrier Solar Blind Avalanche Photodetector via Lattice and Band Engineering”為題，發(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊《Nature Communications》。

北京郵電大學(xué)理學(xué)院博士研究生張清怡為該文第一作者，吳真平教授為共同通訊作者。該研究受到國家自然科學(xué)基金、信息光子學(xué)與光通信國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金、天津市自然科學(xué)基金、中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)基金以及香港研究資助局等項(xiàng)目資助。

一直以來，高靈敏日盲紫外探測(cè)多采用真空紫外光電倍增管，但是這種傳感器有著體積大、工作電壓高等缺點(diǎn)。近年來，得益于寬禁帶半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)研究和材料制備工藝的進(jìn)展和突破，為新型半導(dǎo)體紫外探測(cè)器件開發(fā)帶來了新的希望。中科院&科睿唯安《2021研究前沿?zé)岫戎笖?shù)》將“基于Ga?O?的日盲紫外光電探測(cè)器”列為物理學(xué)十大前沿研究熱點(diǎn)之一。如何進(jìn)一步提高器件性能成為日盲探測(cè)領(lǐng)域重要問題。

研究組在前期Ga?O?/ITO n-n型雪崩探測(cè)器件成果的基礎(chǔ)上（ACS Nano，2021，15：16654），經(jīng)過不斷探索，通過插入合適的寬帶隙材料（MgO）對(duì)勢(shì)壘高度進(jìn)行了調(diào)整，成功研發(fā)了由β-Ga?O?/MgO/Nb:SrTiO?異質(zhì)結(jié)組成的n-Barrier-n單極勢(shì)壘型雪崩光電探測(cè)器，其較大的導(dǎo)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(jià)帶偏移則促進(jìn)了異質(zhì)結(jié)的少數(shù)載流子的流動(dòng)（見圖1）。該器件獲得了高達(dá)5.9 × 10?的雪崩增益，以及2.33 × 101? Jones的比探測(cè)率，其出色的性能可以與目前廣泛應(yīng)用的商業(yè)光電倍增管相媲美（見圖2）。

圖1. n-B-n單極勢(shì)壘異質(zhì)結(jié)構(gòu)與n-n型異質(zhì)結(jié)構(gòu)雪崩探測(cè)器的性能比較

圖2. Ga?O?/MgO/Nb:STO n-B-n單極勢(shì)壘型雪崩探測(cè)器與以往報(bào)道中雪崩光電探測(cè)器和光電倍增管的性能比較

該研究創(chuàng)造性地提出了一種通過晶格和能帶工程調(diào)控并設(shè)計(jì)n-B-n單極勢(shì)壘型Ga?O?雪崩探測(cè)器的方法，這種設(shè)計(jì)使器件性能得到了顯著提升，同時(shí)展示出Ga?O?在下一代高耐壓功率器件和光電器件中的超大潛力。這種開創(chuàng)性的設(shè)計(jì)也為未來更高性能的Ga?O?電子器件研究提供了嶄新的思路。

審核編輯 ：李倩