【会员论文】西安电子科技大学与重庆邮电大学---采用 Ga₂O₃/NiO 异质结的高性能全栅极光电晶体管，用于高级紫外线检测

        由重庆邮电大学的研究团队在学术期刊 Applied Optics 发布了一篇名为 High-performance gate-all-around phototransistor with a Ga₂O₃/NiO heterojunction for advanced ultraviolet detection（采用 Ga₂O₃/NiO 异质结的高性能全栅极光电晶体管，用于高级紫外线检测）的文章。

        中国博士后科学基金（2023M742732）；国家资助博士后研究人员计划（GZC20241303）；中央高校基本科研业务费（XJSJ24100）；国家自然科学基金（62404176）。

        日盲紫外探测在环境监测、火焰探测、导弹追踪等领域具有重要应用价值，因其能消除自然背景光的干扰。这类应用对探测器提出了高灵敏度、低噪声和快速响应的要求。传统用于日盲探测的宽禁带半导体材料（如 AlGaN, ZnMgO）存在生长温度高、材料掺杂困难或稳定性差等问题；其他材料（如 GaN, 金刚石）则受限于带隙宽度或大面积制备困难。氧化镓（Ga₂O₃）因其超宽带隙（~4.9 eV）、优异的热稳定性和可获得大尺寸本征衬底等优势，成为日盲紫外探测器的理想候选材料。尽管已开发了多种结构的 Ga₂O₃ 基探测器，但在同时实现高灵敏度、低暗电流和快速响应方面仍面临挑战，主要受限于材料界面质量和器件结构优化。环栅晶体管结构因其卓越的静电控制能力和抑制短沟道效应的潜力，为高性能光电探测器提供了一个有前景的平台。然而，传统 GAA 器件可能存在界面不佳和内建电场不足的问题，限制了光生载流子的分离效率和暗电流的抑制。

        氧化镓（Ga₂O₃）具有 4.9 eV 的超宽禁带、出色的热稳定性以及大尺寸本征衬底的可得性，是用于日盲紫外（UV）检测的理想材料。在该研究中，研究团队展示了一种基于 p-NiO/n-Ga₂O₃ 异质结的高性能全栅（GAA）光电晶体管，专门设计用于先进的 UV 检测应用。将 p-NiO 用作栅极材料，提供了强大的内建电场，显著改善了载流子分离，抑制了暗电流，并提高了整体光响应。所构建的 GAA 光电晶体管表现出卓越的光电性能，包括 8.64 × 10⁶ A/W 的响应度、4.23 × 10⁹% 的外量子效率、9.92 × 10¹⁹ Jones 的探测率以及 5 µs 的上升/下降时间。全面的模拟和实验分析表明，性能的提升源于 NiO/Ga₂O₃ 界面处有利的 II 型能带排列，这促进了高效的光生载流子生成和传输。这项工作不仅为开发高灵敏度和快速响应的紫外光探测器开辟了道路，也为环境监测、太空探索和其他关键应用中的日盲光电子学的进一步发展奠定了基础。

        采用 NiO/Ga₂O₃ 异质结和 GAA 结构开发的紫外光电晶体管通过将 p-NiO 用作栅极电介质实现了卓越的性能。该器件表现出出色的光电特性，包括超高的 R 值 8.64 × 10⁶ A/W、PDCR 值 3.66 × 10⁸%、EQE 值 4.23 × 10⁹% 以及 D* 值 9.92 × 10¹⁹ Jones。此外，它还展现出 5 µs 的快速上升和衰减时间，并且在 254 nm 光照下具有出色的可靠性。这些卓越的性能指标主要归因于 NiO/Ga₂O₃ 界面处有利的 II 型能带排列，这有助于实现高效的载流子分离和传输。该光电晶体管还具有约 10^-15 A 的超低暗电流，因此在检测微弱光线方面具有高灵敏度。这项工作极大地推动了高灵敏度、日盲紫外光探测器领域的发展，并为环境监测、太空探索和先进传感技术等光电设备应用的未来创新奠定了坚实的基础。

图 1. 提出的器件结构的三维示意图和截面图（a）、（c）IS-HJ；（b）、（d）PN-HJ。

图 2. IS-HJ (a)、(c) 和 PN-HJ (b)、(d) 在黑暗条件下光电探测器的电子浓度分布，以及在照明（Pin = 1 µW/cm²，无偏压）条件下光生成的电子浓度分布。

DOI：

doi.org/10.1364/AO.551210