【国内论文】APL丨吉林大学董鑫教授团队：吸收与倍增区分离结构的高增益Ga₂O₃/GaN雪崩光电探测器

        由吉林大学董鑫教授的研究团队在学术期刊 Applied Physics Letters 发布了一篇名为High gain Ga₂O₃/GaN avalanche photodetector with separated absorption and multiplication structure（吸收与倍增区分离结构的高增益 Ga₂O₃/GaN 雪崩光电探测器）的文章。

        β-Ga₂O₃ 作为超宽禁带半导体，具有较高光学透过率、超高击穿电场和优异的热稳定性。其物理特性使其在日盲紫外光电探测领域具有巨大的应用潜力。由于缺乏有效的 p 型氧化镓薄膜，基于 Ga₂O₃ 的雪崩探测器通常采用 PN 异质结或肖特基势垒结构设计。基于传统的单 PN 结或肖特基结的 APD 在探测弱信号的方面的能力仍有待提升。

        通过金属有机化学气相沉积工艺，制备了具有吸收与倍增区分离（SAM）结构的 β-Ga₂O₃/p-GaN 异质结雪崩光电探测器（APD）。经 X 射线衍射和扫描电子显微镜表征，Ga₂O₃ 薄膜展现出较高的晶体质量。通过优化 Ga₂O₃ 层的电子浓度与厚度，器件实现了1.75 × 10⁷ 的超高雪崩增益(Gain)、4.53 × 10⁷% 的外量子效率 (EQE)，并在 254 nm 日盲紫外光（5μW/cm²）照射下获得 9.28 × 10⁴ A/W 的高响应度 (R)。通过 TCAD 软件模拟进一步验证了 SAM-APD 的工作机制。相较于传统 APD， SAM 结构能显著提升器件的雪崩增益与外量子效率，从而有效增强 APD 的微弱信号检测能力。

        •首次在 β-Ga₂O₃/p-GaN 异质结中实现 SAM 结构，将光生载流子的产生与倍增在空间上分离，有效提升了器件增益。

        •器件的雪崩增益在目前报道的同类器件中处于领先水平，这可以显著提高器件对极微弱光信号的检测能力。

        •通过变温 I-V 测试发现器件击穿电压随温度升高而线性增大，证实了其电流倍增机制源于雪崩击穿而非隧道击穿。

        通过金属有机化学气相沉积工艺成功制备了基于 Ga₂O₃/GaN 异质结的日盲 SAM-APD。X射线衍射测量表明 Ga₂O₃ 多层薄膜具有 (-201) 晶面取向且晶体质量较高。SEM 表面测量表明多层薄膜表面较为平整。暗态条件下雪崩阈值电压约为 -33.7 V。通过优化 Ga₂O₃ 层的电子浓度与厚度，该 SAM-APD 在 254 nm 日盲紫外照射（5 μW/cm²）下实现了1.75×10⁷ 的超高增益、4.53×10⁷ % 的超高外量子效率以及 9.28×10⁴ A/W的高响应度。通过 TCAD 仿真分析了该 APD 的增益机制。空穴主导的雪崩机制可以有效规避 Ga₂O₃ 材料中空穴迁移率低的缺点。SAM 结构不仅具有高效的光吸收能力，还可以显著降低载流子散射与复合。相较于传统 APD，采用 SAM 结构的 APD 可在更低工作电压下运行，从而实现更低功耗与更高雪崩增益。

        本研究由国家重点研发计划项目资助（项目编号：2022YFB3605500）。

图1. APD结构及制备示意图。

图2. GaN/蓝宝石衬底上异质外延 Ga₂O₃ 的表征结果：(a) 2θ-ω 扫描的XRD曲线，(b) (-201) 晶面的摇摆曲线，(c) 表面形貌的SEM 图像，(d) 截面SEM 图像。

图3. (a) 暗态与紫外光照射下的对数 I-V 特性曲线。(b) 暗态与紫外光照射（254 nm，5μW/cm²）下APD的反向 I-V 曲线，右轴为雪崩增益值。(c) 不同温度下暗电流与反向偏压的关系曲线。(d) 雪崩击穿电压的温度依赖特性。

图4. (a) 不同光功率密度下APD的反向I-V特性曲线（双对数坐标系）。(b) 响应度随光功率密度和偏压的变化关系。(c) APD在-45 V 偏压下响应度与光功率密度的关系。(d) APD在-45 V 偏压下外量子效率 (EQE) 和比探测率 (D*) 随光强变化的关系。

图5. (a) 在254 nm光照（5 μW/cm²）下，不同偏压条件下测得的 APD 的响应时间特性。(b) APD 单脉冲周期的归一化时间响应。

图6. (a) SAM-APD的结构示意图。 (b) 通过TCAD模拟获得的不同反向偏压条件下横截面内部电场分布。 (c) 器件在0 V时的能带图。 (d) SAM-APD工作机制示意图。

图7. (a) 本研究中的SAM-APD与先前报道的 Ga₂O₃ APD 在增益和响应度方面的性能对比。(b) 本研究中的 SAM-APD 与先前报道的Ga₂O₃ 探测器在外量子效率和响应度方面的性能对比。

DOI：

doi.org/10.1063/5.0303222