【会员论文】MT丨东北师大刘益春院士、李炳生教授团队：适用于极端温度基于β-Ga₂O₃/AlN/p-Si nBp隧穿光电二极管的日盲深紫外光电探测器

        由东北师范大学刘益春院士、李炳生教授的研究团队在学术期刊Materials Today发布了一篇名为Solar-blind deep UV photodetector based on β-Ga₂O₃/AlN/p-Si nBp tunneling photodiode for extreme temperature applications（适用于极端温度基于 β-Ga₂O₃/AlN/p-Si nBp 隧穿光电二极管的日盲深紫外光电探测器）的文章。

        Materials Today 是材料科学领域最具影响力和广泛认可的跨学科学术期刊之一，致力于发布高质量的综述文章、前沿评论和观点文章。它强调对材料科学基础、设计与应用领域的综合性思考，覆盖纳米材料、能源材料、功能材料、生物材料以及材料的理论与计算等多个热点方向。截至目前 Materials Today 的 最新影响因子约在 22 左右，在材料科学类综述与综合期刊中居于领先地位。

        随着环境监测、军事防御、航空航天及高压电力系统等领域对极端条件下高性能深紫外探测需求的快速增长，日盲紫外光电探测技术因其在 200–280 nm 波段几乎无背景噪声的天然优势而受到广泛关注。相较于光电倍增管和 Si 基 CCD 等传统方案，宽禁带半导体在体积、集成度和系统复杂度方面更具潜力，但 AlGaN、MgZnO 等材料普遍面临相分离和高缺陷密度等问题，限制了其器件性能。β-Ga₂O₃ 以其接近日盲波段的超宽禁带、高温高辐照稳定性，成为新一代日盲紫外探测材料的有力候选。尤其是将 β-Ga₂O₃ 集成于 Si 衬底，有望兼顾高性能紫外响应与硅基工艺兼容性。然而，Si/β-Ga₂O₃ 的大晶格失配及界面非晶层严重制约了薄膜质量和器件性能，使得 Si 基 β-Ga₂O₃ 日盲探测器仍面临暗电流高、增益机制受限等关键瓶颈。在此背景下，通过异质结结构与能带工程来调控载流子输运机制、抑制暗电流并实现高增益，成为突破 Si 基 β-Ga₂O₃ 日盲紫外探测性能的重要研究方向。本工作正是在这一问题导向下，通过改变 Si 掺杂类型、重构 β-Ga₂O₃/AlN/Si 异质结能带排列，探索新的高性能、宽温区稳定工作的日盲紫外探测方案。

        本研究报道了一种 β-Ga₂O₃/AlN/p-Si nBp 异质结高增益日盲深紫外光电探测器。该器件在 173 K–373 K 的宽温区间内表现出高效率且稳定的工作特性，其探测率高达 4.39 × 10¹⁵ – 1.06 × 10¹⁶ Jones，同时具备超过 10⁵ 的紫外–可见抑制比。在室温条件下，该 nBp 器件的峰值响应度达到 18.92 A/W，紫外–可见抑制比高达 6.87 × 10⁵，探测率为 7.38 × 10¹⁵ Jones。当施加 46 V 的反向偏压时，器件电流出现显著的突增，表明存在强烈的内部增益机制；在 −70 V 偏压下，增益可达到 9 × 10⁴。变温 I–V 测试结果显示，nBp 异质结中对应电流突变起始的阈值电压具有负温度系数，这为隧穿效应作为主导载流子输运机制提供了直接证据。该工作机理不同于此前在 β-Ga₂O₃/AlN/Si nBn 异质结构中报道的雪崩倍增机制。值得注意的是，该研究提出了一种 通过调控 β-Ga₂O₃/Si 界面费米能级偏移来设计 Si 基 β-Ga₂O₃ 日盲紫外光电探测器的策略。通过精确调节能带对齐关系，可有效控制耗尽层宽度，从而实现不同增益机制之间的可控切换。

        ● 通过构建 β-Ga₂O₃/AlN/p-Si nBp 异质结结构，实现了对界面能带排列和载流子输运机制的有效调控。

        ●发现并证实 隧穿效应主导的高增益机制，区别于此前 β-Ga₂O₃/AlN/n-Si nBn 结构中的雪崩倍增行为。

        ●在 173–373 K 的宽温区内实现 稳定的高探测率（10¹⁵–10¹⁶ Jones） 和 超过 10⁵ 的紫外–可见抑制比。

        ●通过能带工程显著 抑制暗电流并提高反向击穿能力，实现超低暗电流与高光暗比的协同优化。

        ●提出一种 基于硅衬底的 β-Ga₂O₃ 日盲紫外探测器设计策略，为极端环境下稳定工作的器件提供新思路。

        本文将 β-Ga₂O₃ 的表面粗糙度降低至 1.7 nm，在此基础上构建了 β-Ga₂O₃/AlN/p-Si nBp 异质结构日盲紫外光电探测器。研究表明，该器件的增益机制主要来源于隧穿效应。与 β-Ga₂O₃/AlN/n-Si（nBn）结构相比，通过能带调控实现了具有不同增益机制的光电探测器。在室温条件下，该器件的峰值响应度达到 18.92 A/W，紫外–可见抑制比（R_peak/R_400nm）高达 6.87 × 10⁵，峰值探测率为 7.38 × 10¹⁵ Jones。此外，在 173 K 至 373 K 的宽工作温区内，器件仍可保持 10¹⁵–10¹⁶ Jones 的高探测率以及超过 10⁵ 的紫外–可见抑制比。本研究为在极端温度环境下实现稳定、高性能工作的硅基日盲紫外光电探测器提供了新的设计思路。

        本工作得到了以下项目的资助支持：国家自然科学基金（项目编号 62274027、62404039），松山湖材料实验室开放研究基金（2023SLABFK03），111 计划（B25030），中国博士后科学基金会博士后资助计划（GZC20230416），以及中央高校基本科研业务费专项资金（2412024QD010）。

图 1. β-Ga₂O₃ 薄膜的结构表征。(a) 在带有 30 nm AlN 缓冲层的 p-Si (111) 上生长的 β-Ga₂O₃ 的 XRD 图谱。(b) (−201) 衍射峰的摇摆曲线。(c) β-Ga₂O₃ 薄膜的 XRD φ 扫描。(d–f) 原子排列顶视图：(d) β-Ga₂O₃ 的 (−201) 晶面，(e) AlN 的 (002) 晶面，(f) Si 的 (111) 晶面。

图 2. 样品形貌表征。(a) 样品结构示意图。(b) 样品的顶部 SEM 图像。(c) 样品的侧面 SEM 图像。(d) 样品 5 μm × 5 μm 区域的二维原子力显微镜 (AFM) 图像。(e) 样品 5 μm × 5 μm 区域的三维 AFM 图像。

图 3. 光电探测器的电学特性。(a) 器件在暗态和紫外光照射下的对数 I–V 曲线。(b) 不同温度下 nBp 器件反向偏压与暗电流的关系。(c) 不同温度下 nBp 器件反向偏压与光电流的关系。(d) nBp 暗电流与光电流阈值电压随温度变化的汇总图。(e) nBn 暗电流与光电流阈值电压随温度变化的汇总图。

图 4. 能带对齐及载流子传输示意图。(a) β-Ga₂O₃、AlN 与 p-Si 的能带对齐图。(b) β-Ga₂O₃、AlN 与 n-Si 的能带对齐图。(c) nBp 异质结（β-Ga₂O₃/AlN/p-Si）在零偏压下的能带图。(d) nBn 异质结（β-Ga₂O₃/AlN/n-Si）在零偏压下的能带图。(e) nBp 异质结在反向偏压下的能带图。(f) nBn 异质结在反向偏压下的能带图。(g) nBp 异质结的隧穿过程示意图。(h) nBn 异质结的雪崩过程示意图。

图 5. nBp 光电探测器的光响应特性。(a) 暗态及不同强度 250 nm 光照下的反向 I–V 特性。(b) 不同光功率密度下 250 nm 光照下的响应度与探测度汇总图。(c) nBp 器件在 −46 V 偏压下的光谱响应（对数坐标）。(d) nBp 器件在 −46 V 偏压下的探测度。(e) nBp 器件在 −46 V 偏压下的瞬态响应曲线。(f) 在常温空气中储存三个月后的器件稳定性评估。

图 6. nBp 器件在极端温度下工作原理模拟示意图。

DOI：

doi.org/10.1016/j.mattod.2026.103220