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、香港理工大學有關研究組創新性地引入晶格和能帶工程調控，成功研發了單極勢壘型氧化鎵（Ga?O?）基日盲雪崩探測器，器件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。2023年1月26日，相關成果以“Enhanced Gain and Detectivity of Unipolar Barrier Solar Blind Avalanche Photodetector via Lattice and Band Engineering”為題，發表于國際學術期刊《Nature Communications》。

北京郵電大學理學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基金、信息光子學與光通信國家重點實驗室基金、天津市自然科學基金、中央高校基本科研業務費專項基金以及香港研究資助局等項目資助。

研究背景

一直以來，高靈敏日盲紫外探測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。近年來，得益于寬禁帶半導體物理基礎研究和材料制備工藝的進展和突破，為新型半導體紫外探測器件開發帶來了新的希望。

氧化鎵（Ga?O?）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》將“基于Ga?O?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。如何進一步提高器件性能成為日盲探測領域重要問題。

研究內容與結果

研究組在前期Ga?O?/ITO n-n型雪崩探測器件成果的基礎上（ACS Nano，2021，15：16654），經過不斷探索，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-Ga?O?/MgO/Nb:SrTiO?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（見圖1）。該器件獲得了高達5.9 × 10?的雪崩增益，以及2.33 × 101? Jones的比探測率，其出色的性能可以與目前廣泛應用的商業光電倍增管相媲美（見圖2）。

圖1. 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

圖2. Ga?O?/MgO/Nb:STO n-B-n單極勢壘型雪崩探測器與以往報道中雪崩光電探測器和光電倍增管的性能比較 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Ga?O?雪崩探測器的方法，這種設計使器件性能得到了顯著提升，同時展示出Ga?O?在下一代高耐壓功率器件和光電器件中的超大潛力。這種開創性的設計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。原文

審核編輯 ：李倩