中国科学技术大学龙世兵教授，赵晓龙教授，侯小虎副研究员等人发表了题为“Tunable Superlinear Gallium Oxide Gate-All-Around Deep-Ultraviolet Phototransistor for Near-Field Imaging” 的工作于ACS Nano期刊上。

本文提出了一种基于p−n异质结的可调超线性Ga2O3深紫外（DUV）全包围栅（GAA）光电晶体管，用于近场成像。该器件利用光电门控效应，随着光强增加从截止态过渡到饱和导通态，展现出超线性特性，并可通过栅极电压电调制，灵活切换线性和超线性光响应。此外，该器件具有超快响应速度（749μs），归因于GAA结构加速光生载流子复合。其超线性光响应在近场成像中展现出良好聚焦效果，为实现超线性光电探测器及其在近场感测系统中的应用提供了可行方法。

背景

光电探测器作为光电系统的核心前端组件，通过半导体材料的光电效应将光信号转换为电信号，在自动化控制、高精度成像和遥感等领域发挥着不可替代的作用。传统光电探测器依赖线性响应机制，而随着物联网和自动驾驶等技术的发展，传统视觉系统面临高功耗、高延迟和硬件冗余等挑战。近年来，集成了感测和计算能力的光电探测器成为一种突破性方法，其中超线性光响应探测器因其独特能力而成为研究热点，例如在近场成像中能够选择性区分和放大有效信号，同时抑制周围衍射光干扰。

实现超线性光响应的机制通常依赖于特定材料的微观相互作用，如二次谐波产生过程、双重复合中心竞争机制等，但这些方法对光敏材料提出了严格要求，限制了集成器件应用的可扩展性。相比之下，光电晶体管由于其高增益、灵活调节和强集成兼容性，有潜力实现无材料限制的超线性探测。深紫外（DUV）探测技术在多个领域具有显著优势，尤其是超线性DUV探测对于高性能感测和近处理应用具有关键价值。Ga2O3因其直接带隙对应DUV光谱而成为DUV光电探测器的理想材料，但其实用化受到有效p型掺杂困难的限制。而NiO由于其高空穴载流子浓度和迁移率，能够与Ga2O3形成高质量异质结，结合了Ga2O3的DUV选择性和NiO的空穴传输优势。

主要内容

研究人员基于高质量的Ga2O3/NiO异质结，开发了一种具有p-NiO/n-Ga2O3/p-NiO三明治结构的DUV GAA晶体管。该器件利用GAA架构形成的三维耗尽区加速光生载流子复合，实现超快DUV响应（749μs）。超线性光响应源于器件从截止态到饱和态的转变，且栅极电压可动态调节超线性指数。实验中，通过磁控溅射在60%氧通量和40%氩通量下生长高导电性NiO，XPS分析显示NiO中Ni3+/Ni2+比值为1.49，表明良好的NiO导电性。器件的电学特性测试表明，其具有良好的栅极控制能力和低漏电特性。在不同光强下，器件展现出显著的阈值电压（Vt）偏移和光电门控效应，且随着DUV光强增加，光电门控效应增强并趋于饱和。通过分析不同光强下的光电流与光强关系，发现器件在低光强下展现出超线性光响应，且栅极电压可调节超线性指数。此外，通过KPFM测试分析了器件的光电门控效应，揭示了NiO表面势在光照下的变化，表明大量空穴被陷阱捕获，导致NiO的功函数增加。研究人员还通过制备MSM器件验证了GAA器件的超线性光响应并非主要由光电导效应引起，而是源于光电门控效应。在不同栅极电压下，器件展现出不同的光响应特性，通过调节栅极电压可实现从线性到超线性的光响应转变。这种基于Ga2O3/NiO异质结的GAA晶体管为设计可调超线性Ga2O3器件和紧凑DUV近场成像应用提供了一种可行策略。

实验细节

实验中，研究人员首先对硅氧化物衬底和Ga2O3衬底进行超声清洗，随后通过光刻和磁控溅射制备NiO薄膜。利用Scotch胶带机械剥离Ga2O3纳米片，并将其转移到PDMS上，与中央NiO区域精确对齐。经过多次光刻和电子束蒸发，制备出Ti/Au源/漏电极和Ni/Au栅电极。

创新点

1、提出了一种基于p−n异质结的可调超线性Ga2O3深紫外GAA光电晶体管，能够在不同光强下实现从线性到超线性的光响应切换。

2、利用电压调制实现了对超线性指数的动态调节，为光电探测器的应用提供了更大的灵活性。

3、展示了超线性光响应在近场成像中的应用，通过软件模拟实现了良好的聚焦效果，为高精度成像提供了新的技术策略。

4、器件具有超快响应速度（749μs），归因于GAA结构加速光生载流子复合，使其在快速成像和实时感测应用中具有潜在优势。

结论

本研究基于高质量NiO/Ga2O3 p−n结和Ga2O3纳米片固定位置转移技术，提出了一种基于GAA结构的Ga2O3光电晶体管。该器件具有强大的通道控制能力，展现出低漏电特性和快速响应能力。通过光电门控效应，实现了从截止态到饱和态的转变，从而实现了超线性光响应（α=5.54）。得益于高质量异质结和GAA晶体管结构加速光生载流子复合，器件展现出超快响应速度（749μs）。利用这种超线性光响应特性，通过软件模拟成功实现了近场成像聚焦。这项工作为开发适用于成像系统的紧凑、高速光电探测器提供了一种可行方法，其中光电效应和晶体管架构的协同增强展示了在光学感测应用中的潜力。

结果与讨论

图1. 基于p-NiO/n-Ga2O3/p-NiO结构的结型GAA光电晶体管设计及其电学特性。(a)基于p-n-p三明治结构的器件示意图。(b)p-n结反向偏置状态下结型GAA器件的电场分布模拟。(c)黑暗条件下Ga2O3纳米片两端及p-NiO/n-Ga2O3结的I-V曲线。(d)器件的显微镜图像。(e)NiO 1s峰XPS精细谱及分峰结果。(f)器件的三端双扫转移特性与漏电流曲线。插图显示了放大后的转移曲线。

图2. Ga2O3 GAA光电晶体管的光电特性与机理。(a)器件转移特性随光强的变化。(b)深紫外光照下器件的输出特性曲线。(c)阈值电压偏移量ΔVt与光强的依赖关系。(d)器件光电流随光强的变化曲线及分段拟合区域图。(e)p-NiO/n-Ga2O3/p-NiO三明治结构的KPFM结果。I.扫描范围与材料示意图；II.暗态表面电势分布；III.光照时表面电势分布。右侧虚线提取的电势变化如右图所示。(f)器件分段拟合参数α随栅压的变化。(g)光伏效应与光电导效应共同作用下器件的能带与载流子输运示意图。能带图示包括：I.弱光中等栅压；II.中等光强中等栅压；III.强光中等栅压；IV.中等光强负栅压；V.中等光强正栅压。

图3. 结型GAA光电晶体管的瞬态特性与机理阐释。(a)Vg=0V、(b)Vg=-5V和(c)Vg=-10V时器件在不同光强下的瞬态响应特性。(d)器件响应速度差异的机理分析。(e)I.原始态能带图；II.紫外光照下能带与载流子行为图示；III.Vg=0V和IV.Vg=-10V光照停止后的能带与载流子行为图示。通过调控两种复合过程，器件速度可随Vg改变而可控。