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摘要: 氧化镓氧化镓(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 ...

氧化镓

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。

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、香港理工大学有关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)基日盲雪崩探测器,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。2023年1月26日,相关成果以“Enhanced Gain and Detectivity of Unipolar Barrier Solar Blind Avalanche Photodetector via Lattice and Band Engineering”为题,发表于国际学术期刊《Nature Communications》。

北京邮电大学理学院博士研究生张清怡为该文第一作者,吴真平教授为共同通讯作者。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以及香港研究资助局等项目资助。

一直以来,高灵敏日盲紫外探测多采用真空紫外光电倍增管,但是这种传感器有着体积大、工作电压高等缺点。近年来,得益于宽禁带半导体物理基础研究和材料制备工艺的进展和突破,为新型半导体紫外探测器件开发带来了新的希望。中科院&科睿唯安《2021研究前沿热度指数》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。如何进一步提高器件性能成为日盲探测领域重要问题。

研究组在前期Ga₂O₃/ITO n-n型雪崩探测器件成果的基础上(ACS Nano,2021,15:16654),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,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(见图1)。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(见图2)。

图1. 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

图2. Ga₂O₃/MgO/Nb:STO n-B-n单极势垒型雪崩探测器与以往报道中雪崩光电探测器和光电倍增管的性能比较

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,这种设计使器件性能得到了显著提升,同时展示出Ga₂O₃在下一代高耐压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。


来源:北京邮电大学


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