由重慶郵電大學(xué)的研究團隊在學(xué)術(shù)期刊 Applied Optics 發(fā)布了一篇名為 High-performance gate-all-around phototransistor with a Ga₂O₃/NiO heterojunction for advanced ultraviolet detection（采用 Ga₂O₃/NiO 異質(zhì)結(jié)的高性能全柵極光電晶體管，用于高級紫外線檢測）的文章。

1. 項目支持

中國博士后科學(xué)基金（2023M742732）；國家資助博士后研究人員計劃（GZC20241303）；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費（XJSJ24100）；國家自然科學(xué)基金（62404176）。

2. 背景

日盲紫外探測在環(huán)境監(jiān)測、火焰探測、導(dǎo)彈追蹤等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價值，因其能消除自然背景光的干擾。這類應(yīng)用對探測器提出了高靈敏度、低噪聲和快速響應(yīng)的要求。傳統(tǒng)用于日盲探測的寬禁帶半導(dǎo)體材料（如 AlGaN, ZnMgO）存在生長溫度高、材料摻雜困難或穩(wěn)定性差等問題；其他材料（如 GaN, 金剛石）則受限于帶隙寬度或大面積制備困難。氧化鎵（Ga₂O₃）因其超寬帶隙（~4.9 eV）、優(yōu)異的熱穩(wěn)定性和可獲得大尺寸本征襯底等優(yōu)勢，成為日盲紫外探測器的理想候選材料。盡管已開發(fā)了多種結(jié)構(gòu)的 Ga₂O₃ 基探測器，但在同時實現(xiàn)高靈敏度、低暗電流和快速響應(yīng)方面仍面臨挑戰(zhàn)，主要受限于材料界面質(zhì)量和器件結(jié)構(gòu)優(yōu)化。環(huán)柵晶體管結(jié)構(gòu)因其卓越的靜電控制能力和抑制短溝道效應(yīng)的潛力，為高性能光電探測器提供了一個有前景的平臺。然而，傳統(tǒng) GAA 器件可能存在界面不佳和內(nèi)建電場不足的問題，限制了光生載流子的分離效率和暗電流的抑制。

3. 主要內(nèi)容

氧化鎵（Ga₂O₃）具有 4.9 eV 的超寬禁帶、出色的熱穩(wěn)定性以及大尺寸本征襯底的可得性，是用于日盲紫外（UV）檢測的理想材料。在該研究中，研究團隊展示了一種基于 p-NiO/n-Ga₂O₃ 異質(zhì)結(jié)的高性能全柵（GAA）光電晶體管，專門設(shè)計用于先進的 UV 檢測應(yīng)用。將 p-NiO 用作柵極材料，提供了強大的內(nèi)建電場，顯著改善了載流子分離，抑制了暗電流，并提高了整體光響應(yīng)。所構(gòu)建的 GAA 光電晶體管表現(xiàn)出卓越的光電性能，包括 8.64 × 10⁶ A/W 的響應(yīng)度、4.23 × 10⁹% 的外量子效率、9.92 × 10¹⁹ Jones 的探測率以及 5 µs 的上升/下降時間。全面的模擬和實驗分析表明，性能的提升源于 NiO/Ga₂O₃ 界面處有利的 II 型能帶排列，這促進了高效的光生載流子生成和傳輸。這項工作不僅為開發(fā)高靈敏度和快速響應(yīng)的紫外光探測器開辟了道路，也為環(huán)境監(jiān)測、太空探索和其他關(guān)鍵應(yīng)用中的日盲光電子學(xué)的進一步發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

4. 總結(jié)

采用 NiO/Ga₂O₃ 異質(zhì)結(jié)和 GAA 結(jié)構(gòu)開發(fā)的紫外光電晶體管通過將 p-NiO 用作柵極電介質(zhì)實現(xiàn)了卓越的性能。該器件表現(xiàn)出出色的光電特性，包括超高的 R 值 8.64 × 10⁶ A/W、PDCR 值 3.66 × 10⁸%、EQE 值 4.23 × 10⁹% 以及 D* 值 9.92 × 10¹⁹ Jones。此外，它還展現(xiàn)出 5 µs 的快速上升和衰減時間，并且在 254 nm 光照下具有出色的可靠性。這些卓越的性能指標(biāo)主要歸因于 NiO/Ga₂O₃ 界面處有利的 II 型能帶排列，這有助于實現(xiàn)高效的載流子分離和傳輸。該光電晶體管還具有約 10^-15 A 的超低暗電流，因此在檢測微弱光線方面具有高靈敏度。這項工作極大地推動了高靈敏度、日盲紫外光探測器領(lǐng)域的發(fā)展，并為環(huán)境監(jiān)測、太空探索和先進傳感技術(shù)等光電設(shè)備應(yīng)用的未來創(chuàng)新奠定了堅實的基礎(chǔ)。

圖 1. 提出的器件結(jié)構(gòu)的三維示意圖和截面圖（a）、（c）IS-HJ；（b）、（d）PN-HJ。

圖 2. IS-HJ (a)、(c) 和 PN-HJ (b)、(d) 在黑暗條件下光電探測器的電子濃度分布，以及在照明（Pin = 1 µW/cm²，無偏壓）條件下光生成的電子濃度分布。

DOI：

doi.org/10.1364/AO.551210

本文轉(zhuǎn)發(fā)自《亞洲氧化鎵聯(lián)盟》訂閱號