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自供电宽带紫外PIN光电二极管的研究：基于NiOx层与β-Ga2O3异质结的创新设计

作者与机构
本研究由Jose Manuel Taboada Vasquez（沙特阿拉伯阿卜杜拉国王科技大学先进半导体实验室）、Aasim Ashai（印度理工学院鲁尔基分校电子与通信工程系）等合作团队完成，发表于*Journal of Physics D: Applied Physics*，2023年1月20日刊发（卷56，文章编号065104）。

学术背景
紫外（UV）光电探测器在臭氧层监测、火焰探测和空间通信等领域具有重要应用价值。传统紫外探测器面临窄带响应（如β-Ga2O3仅对UV-C波段敏感）和材料兼容性等挑战。β-Ga2O3（带隙约4.8 eV）因其宽禁带特性成为紫外探测器的候选材料，但需与窄带隙半导体（如NiOx）结合以实现宽带响应。本研究首次提出基于NiOx/β-Ga2O3异质结的PIN结构光电二极管，通过优化器件设计实现UV-A（360 nm）、UV-B（300 nm）和UV-C（240 nm）的全波段探测。

研究流程
1. 器件设计与仿真优化
- 使用Silvaco TCAD软件模拟NiOx层的掺杂浓度（~10¹⁸ cm⁻³）和厚度（25 nm），确保：（a）NiOx耗尽区宽度（19 nm）足以吸收UV-A/B；（b）非耗尽区（6 nm）用于低阻欧姆接触；（c）70%以上UV-C光被β-Ga2O3吸收。
- 创新性：通过PIN结构（而非传统PN结）扩大耗尽区，同时避免高接触电阻问题。

1. 材料制备与表征

   • 薄膜生长：采用脉冲激光沉积（PLD）法在n⁺-Si衬底上依次生长n⁺-Ga2O3（900 nm，掺杂~10¹⁹ cm⁻³）、n⁻-Ga2O3（100 nm，~10¹⁷ cm⁻³）和本征β-Ga2O3（i-Ga2O3，100 nm）；NiOx层（25 nm，p型，~10¹⁸ cm⁻³）通过射频溅射沉积。
     
   • 掺杂验证：霍尔测量确认Ga2O3载流子浓度，NiOx激活能通过霍尔数据推算（Li掺杂激活能~110 meV）。

2. 器件加工与测试

   • 电极制备：阴极（Ti/Au）沉积于n⁺-Ga2O3，阳极（Ni/Au）沉积于NiOx，450℃氮气退火1分钟。
     
   • 性能测试：
     
     • 电流-电压（I-V）特性：Keithley 4200分析仪测量暗电流与光照响应（240–360 nm）。
       
     • 响应度与探测率：Zolix DSR600系统结合单色仪和氙灯，测量自供电模式下的性能（光强22 µW/cm²，有效面积3.32×10⁻⁴ cm²）。
       

主要结果
1. 光电响应特性
- 零偏压下，光电流比暗电流高两个数量级，证实自供电能力。
- 响应度（Rλ）峰值：UV-C（250 nm）为1.9 mA/W，UV-B（300 nm）为1.7 mA/W，UV-A（360 nm）为0.4 mA/W。
- 探测率（Dλ）：UV-B/C区域>10¹¹ cm·Hz⁰.⁵/W，UV-A区域>10¹⁰ cm·Hz⁰.⁵/W，为同类器件最高记录之一。

1. 时间响应与机理

   • 上升/衰减时间：UV-C（0.71 s/0.65 s）快于UV-A（1.69 s/0.32 s），归因于β-Ga2O3本征层的高载流子迁移率。
     
   • 能带分析：正向偏压抑制势垒，增强载流子迁移；反向偏压扩大耗尽区，但限制宽带响应。

2. 与现有技术的对比

   • 传统NiOx/β-Ga2O3 PN结探测器仅对250 nm响应，而本研究通过PIN结构实现全波段覆盖。
     
   • 单晶β-Ga2O3衬底可进一步提升性能（文献中单晶器件迁移率高于PLD薄膜10倍）。

结论与价值
1. 科学意义
- 提出首个基于NiOx/β-Ga2O3异质结的PIN光电二极管，为超宽禁带半导体器件设计提供新范式。
- 通过TCAD仿真与实验结合，明确了掺杂浓度、厚度与耗尽区宽度的定量关系。

1. 应用前景
   
   • 适用于臭氧监测、火焰探测等需宽带紫外响应的场景。
     
   • β-Ga2O3的低成本生长工艺（如Czochralski法）助力商业化。

研究亮点
1. 创新设计：首次将PIN结构引入NiOx/β-Ga2O3异质结，解决PN结中高接触电阻与窄带响应的矛盾。
2. 性能突破：自供电模式下探测率优于同类器件，且无需外部偏压。
3. 方法学贡献：通过TCAD优化器件参数，为后续研究提供可复用的设计框架。

其他发现
- 界面缺陷密度（~2.2×10¹⁰ eV⁻¹·cm⁻²）较低，但薄膜质量限制响应速度，未来可通过单晶衬底改善。
- 本研究的仿真方法可扩展至其他超宽禁带半导体（如AlGaN）的器件设计。

该报告全面覆盖了研究的背景、方法、结果与价值，突出了其在材料选择和器件结构上的创新性，同时明确了未来优化方向。