由重慶郵電大學的研究團隊在學術期刊 Applied Optics 發布了一篇名為 High-performance gate-all-around phototransistor with a Ga₂O₃/NiO heterojunction for advanced ultraviolet detection（采用 Ga₂O₃/NiO 異質結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務費（XJSJ24100）；國家自然科學基金（62404176）。

2. 背景

日盲紫外探測在環境監測、火焰探測、導彈追蹤等領域具有重要應用價值，因其能消除自然背景光的干擾。這類應用對探測器提出了高靈敏度、低噪聲和快速響應的要求。傳統用于日盲探測的寬禁帶半導體材料（如 AlGaN, ZnMgO）存在生長溫度高、材料摻雜困難或穩定性差等問題；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）、優異的熱穩定性和可獲得大尺寸本征襯底等優勢，成為日盲紫外探測器的理想候選材料。盡管已開發了多種結構的 Ga₂O₃ 基探測器，但在同時實現高靈敏度、低暗電流和快速響應方面仍面臨挑戰，主要受限于材料界面質量和器件結構優化。環柵晶體管結構因其卓越的靜電控制能力和抑制短溝道效應的潛力，為高性能光電探測器提供了一個有前景的平臺。然而，傳統 GAA 器件可能存在界面不佳和內建電場不足的問題，限制了光生載流子的分離效率和暗電流的抑制。

3. 主要內容

氧化鎵（Ga₂O₃）具有 4.9 eV 的超寬禁帶、出色的熱穩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 異質結的高性能全柵（GAA）光電晶體管，專門設計用于先進的 UV 檢測應用。將 p-NiO 用作柵極材料，提供了強大的內建電場，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。所構建的 GAA 光電晶體管表現出卓越的光電性能，包括 8.64 × 10⁶ A/W 的響應度、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高靈敏度和快速響應的紫外光探測器開辟了道路，也為環境監測、太空探索和其他關鍵應用中的日盲光電子學的進一步發展奠定了基礎。

4. 總結

采用 NiO/Ga₂O₃ 異質結和 GAA 結構開發的紫外光電晶體管通過將 p-NiO 用作柵極電介質實現了卓越的性能。該器件表現出出色的光電特性，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域的發展，并為環境監測、太空探索和先進傳感技術等光電設備應用的未來創新奠定了堅實的基礎。

圖 1. 提出的器件結構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

本文轉發自《亞洲氧化鎵聯盟》訂閱號