基于β-Ga₂O₃/AlN/p-Si nBp隧穿光电二极管的太阳盲深紫外光电探测器，适用于极端温度环境

该研究实现β-Ga₂O₃/AlN/p-Si nBp异结太阳能盲紫外光电探测器，在173K-373K宽温范围内保持超高检测度(4.39×10¹⁵-1.06×10¹⁶ Jones)和紫外可见光 rejection ratio>10⁵。阈值电压随温度升高呈负相关，证实以隧道效应为主导的载流子传输机制，与之前报道的β-Ga₂O₃/AlN/n-Si nbn结构雪崩 multiplication机制截然不同。通过调控异结能带对齐，成功构建适用于极端温度的硅基太阳能盲紫外探测器新范式。

作者名单：崇高、王月飞、宋友恒、王玉杰、傅世豪、韩雨瑞、吴哲、崔伟哲、高瑞泽、李炳生、沈艾东、刘一春

单位：国家集成光电子学重点实验室、教育部紫外发光材料与技术重点实验室、东北师范大学，中国长春130024

摘要

作者报告了一种基于β-Ga₂O₃/AlN/p-Si nBp异质结的高增益、太阳盲深紫外光探测器。该探测器在173 K至373 K的极端温度范围内表现出高效且稳定的工作性能，检测灵敏度高达4.39 × 10¹⁵ – 1.06 × 10¹⁶ Jones，紫外-可见光抑制比超过10⁵。在室温下，该器件的峰值响应度为18.92 A/W，紫外-可见光抑制比为6.87 × 10⁵，检测灵敏度为7.83 × 10¹⁵ Jones。当施加46 V的外部反向偏压时，电流出现显著增加，表明存在显著的增益效应。在-70 V的偏压下，增益达到9 × 10⁴。变温I-V特性分析显示，nBp异质结中电流突然增加的阈值电压具有负温度系数，这证明了隧道效应是主要的载流子传输机制。这一工作原理不同于之前在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，这一结果展示了一种通过调控β-Ga₂O₃/Si界面费米能级偏移来设计基于硅的β-Ga₂O₃太阳盲紫外光探测器的策略。通过精确调节带对齐，可以控制耗尽层宽度，从而实现不同增益机制之间的转换。

引言

在现代技术的快速发展中，高性能深紫外光探测器的研发已成为多个领域的重要课题。从极端天气条件下的环境监测到军事防御和航空航天应用，对具有精确光谱响应特性的探测器需求迅速增长。在各种光检测技术中，太阳盲紫外（UV）检测技术因其独特优势而备受关注[1],[2],[3],[4]。太阳盲紫外光的波长范围通常在200至280 nm之间，在地球大气中会被强烈吸收。这一自然现象使得环境背景噪声极低，为实现高灵敏度和高信噪比的光信号检测提供了理想条件[1],[5],[6],[7],[8],[9]。因此，太阳盲紫外光探测器在许多应用中具有巨大潜力。例如，在早期森林火灾预警系统中，这些探测器可以检测到火灾初期发出的微弱太阳盲紫外辐射，从而在烟雾形成之前实现早期发现，为灭火工作争取宝贵时间。在军事行动中，它们可以准确识别导弹发射时产生的太阳盲紫外信号，有助于早期预警和防御策略[10],[11],[12],[13],[14]。此外，在高压电气设备放电监测中，尤其是在极端天气条件下，太阳盲紫外光探测器可以精确监测电力设施的等离子体放电，帮助防止停电[15],[16]。 目前，开发太阳盲紫外光探测器主要采用三种方法：光电倍增管、基于硅的电荷耦合器件（Si基CCD）和宽带隙半导体。光电倍增管以其高灵敏度和优异的波长选择性而闻名[17]，但它们存在体积大、易碎以及应用场景有限等缺点，限制了其实际应用[18]。Si基CCD具有高灵敏度、低功耗和快速响应速度等优点，在太阳盲紫外区域可以实现约0.1–0.5 A/W的响应度，能够检测到微弱的紫外信号。它们的功耗非常低，通常在几微瓦到几十微瓦之间，适合长期运行和电池供电的应用。此外，Si基CCD的响应速度很快，上升和下降时间通常在纳秒级别，有助于高效检测和信号处理[19]。然而，要在紫外范围内有效工作，它们需要使用高成本的滤光膜，这不仅增加了整体成本，还增加了系统的复杂性。宽带隙半导体由于具有较大的紫外吸收系数和较小的尺寸，易于集成，成为太阳盲紫外光探测器的有希望的候选材料。然而，一些宽带隙半导体如AlGaN和MgZnO面临显著挑战[20],[21]，这些材料中经常出现相分离和大量薄膜缺陷，严重影响了其在太阳盲紫外光探测器中的应用[22]。 相比之下，β-Ga₂O₃近年来受到了广泛的研究关注。它具有约4.9 eV的超宽带隙，正好对应太阳盲紫外光的波长范围。β-Ga₂O₃在高温、高压和辐照条件下也表现出优异的稳定性[2],[23],[24],[25]。在Si衬底上生长β-Ga₂O₃有望克服基于硅的探测器的局限性，例如在紫外区域需要使用滤光膜的问题。近年来，通过脉冲激光沉积、分子束外延、磁控溅射和金属有机化学气相沉积（MOCVD）等多种技术，在Si衬底上生长了β-Ga₂O₃[26],[27],[28],[29],[30]。然而，由于Si和β-Ga₂O₃之间的晶格失配以及界面处存在非晶SiOₓ层，基于Si的β-Ga₂O₃薄膜的晶体质量相对较低，这严重限制了其性能。最近，我们报道了一种基于β-Ga₂O₃/AlN/n-Si nBn异质结构的高性能太阳盲紫外光探测器[31]。在本文中，我们通过将β-Ga₂O₃/AlN生长在p型Si晶圆上形成了nBp异质结构，改变了器件的结构。通过将Si的导电类型从n型改为p型，β-Ga₂O₃/AlN/Si异质结构中的带对齐发生了显著变化，从而导致了不同的载流子传输机制。这种异质结构中的大带隙偏移增强了反向击穿电场，有效抑制了暗电流。在暗条件下，该器件的暗电流仅为1.47 × 10⁻¹¹ A，光暗比可达8 × 10⁵。与其他研究人员的结果一致，势垒层可以有效抑制暗电流[32],[33],[34],[35]。值得注意的是，阈值电压与温度呈负相关，这与之前报道的β-Ga₂O₃/AlN/n-Si异质结构中的趋势相反[31]。两种器件结构（nBn vs. nBp）在不同温度下的I-V特性表明，由于带对齐的变化，它们的传输机制也不同。此外，在173 K至373 K的工作温度范围内，该探测器的检测灵敏度为10¹⁵ – 10¹⁶，紫外-可见光抑制比（Rpeak/R400nm）超过10⁵。这项工作为开发能够在极端温度下稳定且高性能运行的基于硅的太阳盲光探测器提供了新的见解和策略，为未来的研究奠定了基础。

实验部分

实验方法

β-Ga₂O₃薄膜采用MOCVD方法在p-Si (111)衬底上生长。首先用丙酮、乙醇和去离子水分别清洗p-Si (111)衬底10分钟，然后用氢氟酸去除表面氧化层。清洗后，用氮气吹干衬底并放入MOCVD反应器中。在800 ℃下，使用TMAl、NH₃反应气体和H₂载气在p-Si衬底上生长30 nm厚的AlN缓冲层。之后将AlN缓冲层在1000 ℃下退火10分钟。

结果与讨论

图1a显示了样品的X射线衍射图谱。除了Si(111)晶面的衍射峰外，18.951°、38.404°和59.190°的衍射峰分别对应β-Ga₂O₃的(−201)、(−402)和(−603)晶面（JCPDS #43–1012），而36.040°的衍射峰对应AlN的(002)晶面（JCPDS #25–1133），表明生长的β-Ga₂O₃薄膜具有(−201)晶面的优先取向。

结论

本文将β-Ga₂O₃的表面粗糙度降低到了1.7 nm，并基于此构建了一种β-Ga₂O₃/AlN/p-Si nbp异质结构太阳盲紫外光探测器。推测该器件的增益机制源于隧道效应。与β-Ga₂O₃/AlN/n-Si (nbn)结构相比，通过调节能量带实现了不同的增益机制。在室温下，该器件的峰值响应度可达18.92...

CRediT作者贡献声明

崇高：撰写初稿、软件开发、方法论设计、数据管理。 王月飞：撰写、审稿与编辑、方法论设计、资金申请。 宋友恒：软件开发。 王玉杰：软件开发。 傅世豪：软件开发、方法论设计。 韩雨瑞：撰写、审稿与编辑、软件开发、方法论设计。 吴哲：软件开发。 崔伟哲：软件开发。 高瑞泽：软件开发。 李炳生：撰写、审稿与编辑、项目监督、资源管理、方法论设计、资金申请。 沈艾东：撰写...

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究工作。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（项目编号：62274027、62404039）、松山湖材料实验室开放研究基金（2023SLABFK03）、111中心（B25030）、CPSF博士后奖学金计划（GZC20230416）以及中央高校基本科研业务费（2412024QD010）的支持。