Experimental Demonstration of Nonlinear Photoconductive Gain in N-Doped $β$-Ga$_2$O$_3$ Devices

技术摘要：N型掺杂 $\beta\text{-Ga}_2\text{O}_3$ 器件中非线性光电导增益的实验演示

问题陈述
尽管 $\beta\text{-Ga}_2\text{O}_3$ 因其宽带隙（约 4.8 eV）和极高的理论临界电场，在深紫外（DUV）波段的光电探测领域具有广阔的前景，但目前的器件仍面临显著局限。大多数现有器件依赖于深紫外范围内的带间激发。这导致需要体积庞大、集成困难的光源，并伴随着复杂的光学传输与封装约束。此外，已报道的 $\beta\text{-Ga}_2\text{O}_3$ 光电导器件通常工作在线性机制下，即光电流与吸收的光功率呈一一对应关系。这种线性关系限制了系统的效率和功率增益，需要高能量的光学激发才能获得可观的电流水平。因此，有必要探索 $\beta\text{-Ga}_2\text{O}_3$ 中的非线性、高增益机制，使其能够由较低能量的可见光触发，类似于在 GaAs 基光电导开关（PCSS）中已成熟建立的机制。

方法论
作者利用通过卤素蒸气相外延（HVPE）生长在高度导电的 Sn 掺杂衬底上的 5.6-$\mu\text{m}$ 厚氮掺杂（约 $2 \times 10^{16}\ \text{cm}^{-3}$）半绝缘 $\beta\text{-Ga}_2\text{O}_3$ 外延层，制造了垂直光电导器件。器件采用 Ti/Au（20 nm/100 nm）电极，通过均匀的底部电极和叉指形顶部电极来确保均匀的电场分布和光学接入。

实验表征是在浸泡在 Fluorinert 绝缘液体中的室温探针台中进行的，以防止空气击穿。器件由 3-W、445-nm 连续波（CW）二极管激光器（亚带隙激发）进行照射。电气测量使用高压源测量单元（Keithley 2657A）进行，以记录暗电流和光电流的 I-V 特性以及时间响应。

为了支持实验发现，研究人员使用 Silvaco ATLAS 进行了二维漂移-扩散 TCAD 模拟。模拟过程对特定器件几何结构进行了建模，包括包含残余 Si 掺杂的 n 型外延层和深能级氮受主陷阱（建模为 $1.9 \times 10^{16}\ \text{cm}^{-3}$），以复制半绝缘特性。碰撞电离产生过程使用 Selberherr 模型进行建模，以分析载流子倍增机制。

关键结果

• 非线性转变： 在 445-nm CW 光照下，器件表现出从线性光电导机制到非线性高增益机制的明显转变。该转变发生在约 0.67 MV/cm 的阈值电场处（对应于 325 V 至 350 V 之间的偏置电压）。
• 增益增强： 超过阈值后，光电流剧烈增加。对于器件 1，电流从线性机制下的约 20 $\mu\text{A}$ 上升至 435 V 时的约 476 $\mu\text{A}$，增益因子约为 23。器件 2 显示出类似的约 21 倍增强，在 445 V 时达到约 450 $\mu\text{A}$。峰值光电流接近 475 $\mu\text{A}$。
• 时间动力学： 在低偏置（300 V）下，光电流响应较小且变化缓慢。在高偏置（400–425 V）下，响应表现出显著的瞬态峰值并随后衰减至稳态，这表明存在陷阱介导的载流子动力学以及高场下的增强载流子产生。
• 模拟洞察： TCAD 模拟显示，在偏置高于 400 V 时，接触区域附近的电场超过了 1.5 MV/cm。这种高场局域化触发了碰撞电离产生率的快速增加（达到 $10^{16}$–$10^{18}\ \text{cm}^{-3}\cdot\text{s}^{-1}$），证实了雪崩辅助的载流子倍增对观察到的增益有显著贡献。

意义与主张
本文声称首次展示了 $\beta\text{-Ga}_2\text{O}_3$ 器件在亚带隙可见光激发下的非线性、电场可调控的光电导增益。作者断言，通过利用在可见光照射下被激活的深能级陷阱态，结合高场碰撞电离，可以在无需深紫外光源的情况下实现约 20 倍的电流倍增因子。

这项工作的意义在于展示了一种在 $\beta\text{-Ga}_2\text{O}_3$ 中实现紧凑、高场光电探测的可行路径，且无需面对 DUV 光源的封装与集成约束。结果表明，缺陷辅助传输和雪崩倍增可以被用于创建适用于恶劣环境传感及光电应用的可调控场增益探测器。