【国际论文】APL丨美国俄亥俄州立大学：β-Ga₂O₃器件中自陷态空穴的静电效应

        由美国俄亥俄州立大学的研究团队在学术期刊Applied Physics Letters发布了一篇名为Electrostatic effects of self-trapped holes in β-Ga₂O₃ devices（β-Ga₂O₃器件中自陷态空穴的静电效应）的文章。

        β-Ga₂O₃是一种极具前景的新型半导体材料。它具备多项优异特性：巴利加优值高于碳化硅与氮化镓，存在多种溶解度可用的浅 n 型掺杂剂，禁带宽度达 4.5–4.8 eV，临界击穿场强为 6–8 MV/cm。尽管优势显著，β-Ga₂O₃ 仍存在短板：本征热导率低、难以实现 p 型导电是制约其发展的两大核心问题。由于缺少浅受主掺杂剂，无法制备传统 pn 结，器件设计必须采用特殊结构实现相应功能。

        β-Ga₂O₃ 是一种超宽禁带半导体，在功率电子与深紫外光电器件中具备优异性能，但其光照下的行为仍缺乏清晰认知。本文研究光生自陷态空穴对 β-Ga₂O₃ 器件静电特性与电流传导的影响。采用半透明镍阳极的垂直肖特基光电二极管，在暗态与禁带以上光照下开展电容–电压、电流–电压及变温电流–电压测试。光电流增益分析表明，传统镜像力势垒降低模型需要不符合物理实际的极高界面电场，说明存在其他机理。基于福勒–诺德海姆隧穿理论，使测试光电流与光电容结果与合理电场自洽，并定量给出自陷态空穴的面浓度。结果表明，光照引入的电荷显著改变器件静电分布。理解这种基于隧穿的光电流增益机制，对设计深紫外探测器与功率电子用 β-Ga₂O₃ 器件至关重要。

        • 推翻传统镜像力势垒降低模型，证实 β-Ga₂O₃ 肖特基探测器光增益源于福勒–诺德海姆隧穿。

        • 定量提取光照引入的自陷态空穴面浓度与质心位置，揭示其重塑器件内部电场与能带的机制。

        • 通过变温电学测试排除界面态与热发射贡献，为自陷态空穴调控器件静电特性提供直接实验证据。

        基于暗态与光照下的电流–电压、电容–电压及变温电流–电压测试，本文证实禁带以上光照会因光生自陷态空穴引入额外电荷，改变 β 氧化镓光电探测器的电荷、电场与能带分布。β-Ga₂O₃ 兼具优异输运特性与自陷态空穴，是一类特殊半导体。尽管光照下自陷态空穴的存在已被广泛证实，本工作揭示了极化子对器件静电与电流特性的影响。结果表明，β-Ga₂O₃ 肖特基光电探测器的光电导增益源于金属向半导体的电子隧穿，而非镜像力势垒降低增强的热电子发射。空穴诱导隧穿机制可唯一解释氧化镓光电器件中常见的电流–电压行为，并提供经实验验证的定量物理依据。采用包含金属电子隧穿的模型，使测试光电流与合理电场自洽，提取出重塑内部电场分布的自陷态空穴面浓度，并估算不同偏压下的能带图。理解这种基于隧穿的增益机制，以及自陷态空穴对 β-Ga₂O₃ 器件静电环境的行为与影响，是掌握其电子与光电器件特性的关键。本工作对理解碰撞电离或光生空穴下氧化镓器件的行为具有参考意义。此外，通过禁带以上光照可引入高达 2×10¹³ cm^-2 的面电荷，有望用于构建新型器件结构。结合 β-Ga₂O₃ 在深紫外光电器件与功率电子领域的突出优势，该效应可拓展更多全新应用。

图1. (a) 自陷态空穴使肖特基二极管导带与价带弯曲的机理示意图；(b) 测试器件的平衡能带图（插图：器件结构示意图）；(c) 暗态电容–电压曲线（插图：1/C² 曲线，内建电压 1.32 eV）；(d) 提取的掺杂分布（N_d=1×10¹⁶ cm^-3）。

图2. (a) 暗态与光照（4.86 eV，110 mW/cm²）下的电容（1 MHz）；(b) 电流–电压测试曲线。

图3. 4.86 eV 连续光、110 mW/cm² 强度下的变温电流–电压曲线。

图4. (a) 由光生电流提取的总电场、暗场与自陷态空穴电场；(b) 光照引入额外电荷的面密度与质心位置随偏压的变化。

图5. 不同偏压、光照 / 暗态下的导带分布：(a) 假设自陷态空穴为 δ 函数分布时，光照引入空穴导致耗尽区宽度变化；(b) 高反偏下隧穿势垒厚度几乎不变。

图6 (a) 能带图、(b) 电场分布、(c) 文本所述动态平衡下假设的电荷分布示意图。

图7. 假设光电流增益源于镜像力势垒降低时，产生测试光电流所需界面电场；结果表明所需电场超过氧化镓临界击穿场强。

DOI：

doi.org/10.1063/5.0322401