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张杨教授研究组、香港理工大学郝建华教授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）基雪崩日盲探测器，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，相关成果“Enhanced Gain and Detectivity of Unipolar Barrier Solar Blind Avalanche Photodetector via Lattice and Band Engineering”近日发表于国际学术期刊Nature Communications。

Ga₂O₃作为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（200 - 280 nm）相匹配，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。中科院&科睿唯安《2021研究前沿热度指数》也将“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。但此前报导的Ga₂O₃基日盲探测器性能仍落后于目前商用的光电倍增管（PMT），如何进一步提高器件性能，是日盲探测领域的重要问题。由于p型氧化镓实现较为困难，加上晶格和能带匹配的制约，传统p-n型氧化镓雪崩探测器件尚未有报道，目前研究主要集中在基于n-n型异质结的雪崩探测器上。要进一步提升器件雪崩增益，需构建具有较大势垒高度的Ga₂O₃异质结来实现。同时，构成异质结的材料需要具备良好的晶格匹配，否则界面处产生的缺陷会对器件的性能造成极大的影响。因此，深入开发高性能的Ga₂O₃日盲探测器需要对上述问题进行综合考量。

能带结构图（源自课题组）

为了使Ga₂O₃基探测器的性能进行进一步提升，经过不断探索，该团队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（APD），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。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。

性能对比图（源自课题组）

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，这种设计成功地使器件性能得到了显著提升，同时该研究中涉及到的器件性能展示出Ga₂O₃在功率器件下一代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。

此项工作由北京邮电大学、南开大学、香港理工大学合作完成。北京邮电大学理学院博士研究生张清怡为该文第一作者，北京邮电大学吴真平教授、南开大学张杨教授和香港理工大学郝建华教授为论文的共同通讯作者。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、香港研究资助局项目资助。

相关论文信息：

https://doi.org/10.1038/s41467-023-36117-8