【会员论文】聚焦13.5 nm EUV探测：大连理工大学梁红伟教授团队在β-Ga₂O₃/NiO异质结探测器多尺度仿真方面取得新进展

        由大连理工大学梁红伟教授的研究团队在学术期刊 Microelectronics Journal 发布了一篇名为 DFT-Assisted TCAD Simulation of the Optoelectronic Properties of β-Ga₂O₃/NiO Extreme Ultraviolet Detector（基于密度泛函理论（DFT）的 β-Ga₂O₃/NiO 极紫外探测器光电性能 TCAD 仿真）的文章。

        极紫外（EUV）探测器是极紫外光刻、太阳物理、高分辨材料表征等前沿领域不可或缺的核心元器件。当前商用主流 EUV 探测器以硅基器件为主，硅材料工艺成熟、量子效率表现尚可，但高通量高能 EUV 光子持续辐照下极易产生晶格损伤，诱发大量辐射缺陷，造成器件性能持续衰减，长期工作可靠性较差。

        超宽禁带半导体拥有优异抗辐照、耐高温、化学稳定性优势，能够耐受高能粒子轰击而大幅抑制辐照缺陷生成。其中单斜相氧化镓（β-Ga₂O₃）相比金刚石、AlGaN、SiC 等同类宽禁带材料，可见光透过性更好，晶体与薄膜可控制备工艺体系完善，是极具潜力的紫外探测材料。

        目前 β-Ga₂O₃ 在日盲紫外波段的光电探测研究已较为成熟，但面向 13.5 nm 工业标准 EUV 波段的器件开发仍处于起步阶段，相关公开研究数量有限。现有理论工作仅初步证实氧化镓基 EUV 器件可行性，但存在关键瓶颈：现有商用 TCAD 器件仿真软件缺少 β-Ga₂O₃与 p 型氧化镍（NiO）在 EUV 波段的复折射率、消光系数光学参数，无法实现高精度器件仿真与性能预判；同时缺少从原子尺度材料特性到宏观异质结器件的多尺度一体化仿真框架，难以指导 β-Ga₂O₃ 基 EUV 探测器结构优化。

        NiO 作为低成本、储量丰富、化学稳定的 p 型宽禁带半导体，可与本征 β-Ga₂O₃ 构建 p-NiO/i-β-Ga₂O₃/n-β-Ga₂O₃ PIN 异质结结构，实现高效光生载流子分离，但 NiO 在 EUV 波段的光学基础参数同样缺失。针对上述痛点，本文结合第一性原理 DFT+U 计算补充两种材料 EUV 光学参数，搭建多尺度仿真体系，完成异质结 EUV 探测器结构优化与光电响应、角度依赖特性仿真分析。

        极紫外（EUV）探测器是电子制造、基础科学研究等领域的关键元器件。β-Ga₂O₃ 具备优异的抗辐照能力与热稳定性，是 EUV 探测的理想候选材料。然而 EUV 波段缺少精准的材料光学参数，严重限制了技术计算机辅助设计（TCAD）器件仿真的预测精度。为解决该局限，本研究专门针对 β-Ga₂O₃ 基 EUV 探测器搭建了一套完整多尺度仿真框架。研究人员通过原子尺度计算得到 β-Ga₂O₃ 与 NiO 的复折射率。基于该计算结果，确定器件结构包含 25 nm 厚 NiO 层与 100 nm 厚本征 β-Ga₂O₃ 层。仿真结果表明，在 13.5 nm 极紫外光垂直入射、光强 100 μW/cm² 的条件下，该探测器光暗电流比可达 15760，外量子效率为 433.5%。此外，本文建立了光照入射角与饱和光电流之间的定量关系。

        ① 采用 VASP DFT+U 第一性原理计算，首次完整求解并补充 13.5 nm EUV 波段下 β-Ga₂O₃ 与 NiO 的复折射率（实部、虚部/消光系数），填补商用 Sentaurus TCAD 仿真平台缺失的 EUV 光学参数空白。

        ② 搭建原子尺度 DFT 材料计算 — 宏观 TCAD 器件仿真一体化多尺度仿真体系，面向 β-Ga₂O₃/NiO 异质结 PIN 型 EUV 探测器完成全套建模；引入 β-Ga₂O₃ E₂ 陷阱能级构建陷阱辅助隧穿（TAT）模型，精准复现器件暗电流特性。

        ③ 系统优化 p-NiO 掺杂浓度、NiO/本征 β-Ga₂O₃ 薄膜厚度，确定最优器件结构（25 nm NiO+100 nm i-β-Ga₂O₃ ）；仿真获得超高光暗电流比（15760）、433.5% 外量子效率、1.8 μs 超快响应速度的优异 EUV 探测性能。

        ④ 定量分析 EUV 光照入射角（30°~90°）对饱和光电流的影响，拟合得到入射角-饱和光电流数学函数关系式（y=1.02×10⁻⁷−1.83×10⁻⁷×e^-x/27.3，20°≤x≤90°），为非垂直入射工况下探测器性能校准提供理论依据。

        该团队采用多尺度计算方法搭建了一套从 β-Ga₂O₃ 材料到 β-Ga₂O₃ 基极紫外（EUV）探测器的仿真框架。基于 VASP 第一性原理计算与 Sentaurus TCAD 仿真软件，构建了 β-Ga₂O₃/NiO 异质结 PIN 型 EUV 探测器模型。结果表明，当 p 型 NiO 层厚度为 25 nm、本征 β-Ga₂O₃ 层厚度为 100 nm 时，该探测器对极紫外光的吸收效率达到最优。在该结构下，器件接受光强 100 μW/cm² 的 EUV 光照射时，响应度可达 47.2 mA/W，对应外量子效率 433.5%，上升时间为 1.8 μs。该团队同时建立了光照入射角与探测器光电流之间的定量关系。上述结果为 β-Ga₂O₃ 基极紫外探测器的设计提供通用仿真框架，也为高性能 β-Ga₂O₃ 基 EUV 探测器的研发提供理论依据。

        本工作得到国家重点研发计划（2024YFE0213500）、吉安市自然科学基金项目（20255-071664）、国家自然科学基金（12075045、12335011）、教育部基础与交叉学科突破计划（JYB2025XDXM107）资助。

图 1 (a) β-Ga₂O₃ 晶体结构；(b) NiO 晶体结构

图 2 (a) DFT+U 计算得到的 β-Ga₂O₃ 能带结构（左）与态密度（右）；(b) 折射率实部；(c) 折射率虚部

图 3 (a) DFT+U 计算得到的 NiO 能带结构（左）与态密度（右）；(b) 折射率实部；(c) 折射率虚部

图 4 器件基础电学特性：(a) I-V 曲线；(b) C-V 曲线；(c) 器件内部电场分布；(d) 器件界面处电场分布

图 5 NiO、β-Ga₂O₃ 内部光强分布；插图：异质结结构内吸收光子密度分布

图 6 探测器结构示意图与瞬态响应特性

图 7 (a) 50° 入射角度下器件内部光强分布；(b) 不同光源入射角度下器件内部光强分布；(c) 不同光源角度下器件 I-T 特性曲线；(d) 光源入射角度与饱和光电流的关系

DOI ： 

10.1016/j.mejo.2026.107362