APL丨南京大学叶建东教授联合江南大学研究团队:自陷空穴介导的光照诱导势垒降低效应在 Ga₂O₃ 肖特基光电二极管中的定量研究
- 2026-04-30 10:46:36
由南京大学电子科学与工程学院叶建东教授联合江南大学集成电路学院的研究团队在学术期刊Applied Physics Letters上发布了一篇名为Quantitative insight into illumination-induced barrier lowering mediated by self-trapped-holes in Ga₂O₃ Schottky photodiodes（自陷空穴介导的光照诱导势垒降低效应在 Ga₂O₃ 肖特基光电二极管中的定量研究）的文章。
背 景
β-Ga₂O₃ 作为超宽禁带半导体，具备 4.6~4.9 eV 的禁带宽度与优异热稳定性，是日盲光电探测器的核心备选材料。该类器件主要分为光电导型与光伏型，光伏型又包含肖特基势垒光电二极管（SBPD）与异质结光电二极管（HJPD）两类。已有研究发现，Ga₂O₃ 基 SBPD 常出现远超理论光伏极限的异常高光响应度，而 HJPD 则极少观测到该现象，二者的性能差异无法仅通过光吸收、电场分布差异解释，雪崩倍增效应也可被排除。学界曾提出界面陷阱俘获少子、光生自陷空穴（STH）表层积累两种假说解释肖特基势垒降低（SBL）效应，但均未实现定量验证。β-Ga₂O₃ 拥有最高的空穴自陷能与最低的自陷形成势垒，空穴可在亚皮秒内稳定形成 STH，这一本征特性显著影响其光电行为。为破解两类光伏器件的响应度差异难题，该团队在同一外延衬底上制备 SBPD 与 NiO/β-Ga₂O₃ HJPD，结合偏压相关光响应光谱、光电流瞬态谱、弗朗兹-凯尔迪什（F-K）效应建模与技术计算机辅助设计（TCAD）模拟，定量解析 STH 介导的光响应机制，为超宽禁带光电探测器的器件设计提供物理支撑。
主要内容
Ga₂O₃ 肖特基势垒光电二极管（SBPD）中普遍报道了远超理论光伏极限的异常高光响应度，而在异质结光电二极管（HJPD）中却很少观察到该现象。该团队定量证实，由自陷空穴（STH）介导的光照诱导肖特基势垒降低（SBL）效应是造成这一差异的物理根源。通过偏压相关光响应光谱、光电流瞬态谱及基于弗朗兹-凯尔迪什效应的严格建模发现，日盲光照下 β-Ga₂O₃ SBPD 的肖特基势垒降低 0.22 eV，使其表观光响应度达 19.8 A/W，对应外量子效率（EQE）为 95.8。STH 介导的 SBL 效应可促进反向偏压下的电子注入，使外量子效率远高于单位光伏极限。相比之下，具有 II 型能带排列的 NiO/β-Ga₂O₃ HJPD 可高效提取光生载流子，呈现本征光响应行为。该模型定量阐明了 STH 介导的光响应增益机制，为超宽禁带光电探测器的工程化设计提供了物理依据。
研究亮点
1. 机制定量证实：首次定量证实自陷空穴介导的光照诱导肖特基势垒降低效应，是 Ga₂O₃ 基肖特基光电二极管超高响应度的物理本源。
2. 关键性能参数：日盲光照下 β-Ga₂O₃ SBPD 肖特基势垒降低 0.22 eV，光响应度达 19.8 A/W，外量子效率高达 95.8%。
3. 器件性能差异：NiO/β-Ga₂O₃ 异质结光电二极管因 II 型能带排列可高效提取空穴，无自陷空穴诱导势垒降低，呈现本征光响应。
4. 建模与模拟验证：结合弗朗兹-凯尔迪什效应建模与 TCAD 模拟，精准量化自陷空穴对肖特基势垒的调控作用。
5. 应用指导价值：阐明自陷空穴介导的光响应增益机制，为超宽禁带日盲光电探测器的优化设计提供核心物理指导。
结 论
该团队定量证实，自陷空穴介导的光照诱导肖特基势垒降低效应，是 β-Ga₂O₃ 肖特基势垒光电探测器中出现异常高光响应度的物理根源。积累的自陷空穴会局部调控界面电势，增强电子穿过肖特基结的注入效率，产生额外漏电流，使表观响应度突破单位光伏极限。与之相对，具备 II 型能带排列的 NiO/β-Ga₂O₃ 异质结光电二极管可高效提取空穴，呈现本征光电流行为。该工作定量阐释了自陷空穴介导的光响应增益机制，为超宽禁带光电探测器的优化设计提供了重要物理见解。
项目支持
该研究得到国家重点研发计划、江苏省科技重大专项与国家自然科学基金的资助。
图1. (a) SBPD 和 (b) HJPD 的偏压相关光响应光谱；(c) SBPD 和 (d) HJPD 的峰值光响应度(Rph)随反向偏压的变化（EQE = 1）；插图为 SBPD 和 HJPD 的器件结构示意图
图2. (a) 254 nm 光照与暗态下 SBPD 和 HJPD 的反向 I-V 特性，插图为 HJPD 光学图像；(b) -5 V 偏压下拟合的电容-频率(C–f)谱
图3. (a) 140 kHz 下不同入射光功率密度的 SBPD 与 HJPD 瞬态光响应；(b) 不同光功率密度下提取的上升（τr）和衰减（τd）时间常数
图4. 光照下 (a) Ni/Ga₂O₃ SBPD 和 (b) NiO/Ga₂O₃ HJPD 的能带结构图；(c) SBPD 和 (d) HJPD 的实测偏压相关光电流与包含弗朗兹-凯尔迪什效应的理论本征光电流对比
图5. 肖特基势垒降低量（ΔΦ）随施加反向偏压的变化；粉色虚线为经验指数拟合曲线
DOI：
doi.org/10.1063/5.0310226
文章源自Applied Physics Letters，联盟编译整理。
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