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稀土氧化物-GaN异质结界面工程用于提升真空紫外探测性能
Interface Engineering of Rare-Earth Oxide-GaN Heterojunction for Improving Vacuum-Ultraviolet Photodetection
| 作者 | Dan Zhang · Jiarong Liang · Han Cai · Weisen Li · Zhao Wang · Qijun Sun |
| 期刊 | IEEE Transactions on Electron Devices |
| 出版日期 | 2024年11月 |
| 技术分类 | 电动汽车驱动 |
| 技术标签 | 宽禁带半导体 GaN器件 |
| 相关度评分 | ★★★★ 4.0 / 5.0 |
| 关键词 | 氧化镥 真空紫外光探测器 氧化铝层 光响应性能 异质结界面 |
语言:
中文摘要
氧化镥（Lu₂O₃）是一种超宽带隙（UWB）（5.5 - 6.2 电子伏特）的稀土氧化物，已被提议作为构建真空紫外（VUV）光电探测器的潜在材料。在这项工作中，在 Lu₂O₃/GaN 异质结界面沉积了一层超薄（4 纳米）的氧化铝（Al₂O₃）层，以制备高性能的 Lu₂O₃ 真空紫外光伏探测器。在 0 伏偏压和真空紫外光照下，Lu₂O₃/Al₂O₃/GaN 光电探测器在 192 纳米处的光响应度为 17.2 毫安/瓦，衰减时间为 54.9 毫秒，探测率为 1.2×10¹² 琼斯。该器件的优异性能源于在异质结界面沉积的超薄 Al₂O₃ 层，它不仅起到缓冲层的作用，还起到空穴阻挡层的作用，提高了光敏层的质量和光生载流子的分离效率。此外，随着 Al₂O₃ 层厚度的增加（大于 4 纳米），可以观察到 Lu₂O₃/Al₂O₃/GaN 器件的光电性能恶化，这归因于光生载流子传输距离的增加和电子隧穿概率的降低。这项工作可为未来制备高性能的基于 Lu₂O₃ 的真空紫外光伏探测器提供参考。
English Abstract
Lutetium oxide (Lu2O3), an ultrawide bandgap (UWB) (5.5–6.2 eV) rare-Earth oxide, has been proposed as a potential material for constructing vacuum-ultraviolet (VUV) photodetectors. In this work, an ultrathin (4 nm) aluminum oxide (Al2O3) layer is deposited at the interface of Lu2O3/GaN heterojunction to fabricate a Lu2O3 VUV photovoltaic detector with high performance. At 0 V bias and under VUV illumination, the Lu2O3/Al2O3/GaN photodetector presents a photoresponsivity of 17.2 mA/W (at 192 nm), a decay time of 54.9 ms, and a detectivity of 1.2 10^12 Jones. The excellent performance of the device comes from the ultrathin Al2O3 layer deposited at the heterojunction interface, which not only acts as a buffer layer but also as a hole-blocking layer, improving the quality of the photosensitive layer and the separation efficiency of photo-generated carriers. Furthermore, with an increase in the thickness of the Al2O3 layer (>4 nm), a deterioration of optoelectronic properties of the Lu2O3/Al2O3/GaN device can be observed, which is attributed to an increase in the transport distance of the photo-generated carrier and a reduction in the probability of electron tunneling. This work can provide a reference for the preparation of high-performance Lu2O3-based VUV photovoltaic detectors in the future.
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SunView 深度解读
从阳光电源的业务视角来看，这项关于稀土氧化物-氮化镓异质结真空紫外光探测器的研究虽属于前沿半导体光电领域，但与公司核心业务的直接关联度相对有限。该技术主要聚焦于真空紫外波段（192nm）的光电探测，其应用场景更多集中在紫外消毒、火焰监测、天文探测等特殊领域，与光伏发电和储能系统的可见光-近红外光谱范围存在显著差异。
然而，该研究在界面工程优化方面展现的技术思路具有借鉴价值。论文中采用4nm超薄Al2O3层作为缓冲层和空穴阻挡层的策略，有效提升了异质结界面质量和载流子分离效率，这与光伏电池中钝化层、选择性接触层的设计理念高度契合。阳光电源在开发高效率光伏组件和电力电子器件时，同样需要解决异质界面的能带匹配、载流子输运和界面缺陷钝化等关键问题。论文揭示的界面层厚度敏感性（超过4nm性能劣化）也为我们优化产品界面结构提供了重要启示。
从技术成熟度评估，该研究仍处于实验室阶段，距离产业化应用尚远。稀土氧化物材料成本较高，制备工艺复杂，且真空紫外探测器的市场规模相对小众。对阳光电源而言，更具战略价值的是跟踪其界面工程方法论在宽禁带半导体器件（如SiC、GaN功率器件）中的应用潜力，这些器件正逐步应用于光伏逆变器和储能变流器中，以提升系统功率密度和转换效率。建议将此类研究纳入技术雷达监测范畴，关注其在功率电子领域的延伸应用。