撰稿|由课题组供稿
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，成功研发了单极势垒型氧化镓（Ga2O3）基雪崩日盲探测器，器件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，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。（论文信息：Zhang, Q., Li, N., Zhang, T. et al. Enhanced gain and detectivity of unipolar barrier solar blind avalanche photodetector via lattice and band engineering. Nat Commun 14, 418 (2023). https://doi.org/10.1038/s41467-023-36117-8）。
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（PMT），如何进一步提高器件性能，是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。
最近，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，经过不断探索，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（APD），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。该器件获得了高达5.9 × 105的雪崩增益，以及2.33 × 1016 Jones的比探测率，其出色的性能可以与目前广泛应用的商业光电倍增管相媲美。
在该工作中，研究团队通过激光分子束外延(LMBE)和反射高能电子衍射(RHEED)制备了基于Ga2O3/MgO/Nb:STO异质结构的n-B-n单极势垒型雪崩探测器，同时制备了Ga2O3/Nb:STO异质结构APD进行性能比较。图一中展示出该结构良好的外延特性以及均匀的界面，可以最大程度地减少缺陷的产生。
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。
随着高质量外延Ga2O3薄膜技术的成熟，构建高性能的n-B-n单极势垒APD的想法充满希望。考虑到Ga2O3自身带隙较大(4.94 eV)，团队选择了带隙为7.83 eV的MgO作为中间层，构建出由β-Ga2O3/MgO/Nb:STO异质结构组成的单极势垒日盲雪崩光电探测器（APD）。该结构中β-Ga2O3/MgO和MgO/Nb:STO之间的导带偏移量△Ec分别约为3.01 eV和4.18 eV，而价带偏移△Ev接近于0，这种结构使得器件可以承受更高的反向击穿场强。
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。
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。
性能方面：两种异质结构的电流-电压(I-V)曲线均表现出明显的整流特性，不过在反向偏压下，n-B-n单极势垒异质结构中的暗电流比n-n同型异质结构中的暗电流要小得多。在50 V反向偏压下，Ga2O3/MgO/Nb:STO异质结构中的暗电流仍保持在0.06 nA以下，而Ga2O3/Nb:STO异质结构中的暗电流已达到5 μA。这种现象显示出该结构中较大导带势垒对暗电流的产生了一个数量级的抑制作用，进而在提高APD的增益和比探测率性能方面提供了极大的优势。响应速度方面：通过对器件瞬态响应的曲线进行拟合，得到了上升/衰减时间τr/τd分别为12.4 ns和41.7 μs的响应时间，目前Ga2O3探测器领域已经位于前列。稳定性方面：器件在经历104次光开关测试中依然表现出较好的稳定性。
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。
通过性能对比，该研究开发的APD展示了可以与商用PMT相媲美的高比探测率以及高雪崩增益，而且n-B-n单极势垒型APD较目前PMT在尺寸、结构和集成兼容性方面都更加具备优势。
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。
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。
此项工作由北京邮电大学、南开大学、香港理工大学合作完成。北京邮电大学理学院博士研究生张清怡为该文第一作者，北京邮电大学吴真平教授、南开大学张杨教授和香港理工大学郝建华教授为论文的共同通讯作者。该研究受到国家自然科学基金、信息光子学与光通信国家重点实验室基金、天津市自然科学基金、中央高校基本科研业务费专项基金、香港研究资助局项目资助。
论文信息：
Zhang, Q., Li, N., Zhang, T. et al. Enhanced gain and detectivity of unipolar barrier solar blind avalanche photodetector via lattice and band engineering. Nat Commun 14, 418 (2023). https://doi.org/10.1038/s41467-023-36117-8
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