基于Silvaco TCAD的氧化镓日盲探测器能带仿真

于 2026-10-26 09:45:52 发布 27 0 0

关键词：Silvaco TCAD；日盲探测；能带偏移；极化电场；氧化镓

一、文章简要介绍

日盲紫外波段（200到280纳米）避开了太阳辐射背景，导弹预警、火焰监测和保密通信都指望它。传统硅基传感器要外挂滤光片，光电倍增管又笨重又耗电，超宽禁带半导体是公认的方向。这篇东北师范大学团队2025年发表在Nature Communications的工作，用氧化镓/氮化铝/氮化铝镓三层异质结做出自供电日盲探测器，响应度0.73 A/W、衰减时间56微秒，还实现了256×256分辨率的单像素成像和运动目标追踪（DOI：10.1038/s41467-025-63683-w）。

基于Silvaco TCAD的氧化镓日盲探测器能带仿真的图1

图1 单像素日盲成像系统与双边能带偏移设计

单像素成像只用一个探测器，双边能带偏移让响应度和速度兼得。

器件是三层外延结构：蓝宝石上先做N极性AlN模板，往上生长硅掺杂的N型AlGaN:Si接触层，载流子浓度1.46×10^18 cm-3，中间约30纳米AlN作势垒层，顶层是非故意掺杂Ga2O3吸收层，900摄氏度MOCVD生长。球差校正透射电镜看各层界面清晰、无明显缺陷，Ga2O3与AlN的晶格失配只有2.6%。

$基于Silvaco TCAD的氧化镓日盲探测器能带仿真的图2$

图2 Ga2O3/AlN/AlGaN:Si异质结截面TEM原子结构

球差校正TEM显示各层界面清晰，Ga2O3与AlN晶格失配仅2.6%。

二、Silvaco TCAD能带仿真

仿真是这项设计的核心环节，用的就是Silvaco TCAD。模型按实际外延结构搭建：AlGaN:Si接触层、AlN势垒层、Ga2O3吸收层自下而上排列，求解泊松方程与电子、空穴连续性方程，载流子输运走漂移-扩散模型。物理模型开了三项：Shockley-Read-Hall复合描述深能级缺陷，Fermi-Dirac统计处理高掺杂简并，自发极化模型计入N极性氮化物的极化电荷——这一项是整个设计的命门。仿真在零偏压下进行，对应自供电工作状态。

$基于Silvaco TCAD的氧化镓日盲探测器能带仿真的图3$

图3 XPS实测三层材料能带对齐

XPS实测导带偏移0.53与1.27 eV，与仿真结果相互印证。

仿真结果很直观：N极性AlN层里的极化电荷把能带拉出陡峭弯曲，AlN内电场高达约13×10^5 V/cm。导带在AlGaN:Si/AlN界面抬升约0.50 eV挡住电子，价带近乎连续放行空穴，光生空穴被势阱困在势垒层里累积，产生光电导增益；内置电场又把空穴快速抽走，速度不受影响。XPS实测能带对齐（导带偏移0.53和1.27 eV）与仿真的0.50和1.22 eV对得上，DFT算出三种材料带隙5.07、6.17、5.40 eV，为仿真提供了输入参数。

基于Silvaco TCAD的氧化镓日盲探测器能带仿真的图4

图4 Silvaco TCAD仿真能带图与AlN极化电场分布

TCAD仿真显示AlN内极化电场约13×10^5 V/cm，能带弯曲形成空穴势阱。

基于Silvaco TCAD的氧化镓日盲探测器能带仿真的图5

图5 Ga2O3、AlN与AlGaN:Si的DFT能带结构

DFT算出Ga2O3、AlN、AlGaN:Si带隙为5.07、6.17、5.40 eV。

三、关键结果与发现

实验结果验证了这套设计：245纳米照射下零偏压响应度0.73 A/W，截止边279纳米，日盲区干净；25纳秒脉冲光测得衰减时间56微秒，比同类异质结器件快得多。响应度和响应速度这对老冤家，靠极化势阱同时保住了。

图6 器件结构与自供电日盲探测性能

245纳米零偏压响应度0.73 A/W，衰减时间56微秒。

AlN厚度是关键工艺参数，团队做了10、30、50纳米三组对照：10纳米响应度最高但暗电流偏大，30纳米在响应度与暗电流之间最平衡，56微秒的衰减时间也出自这一组，探测率超过10^11 Jones。

基于Silvaco TCAD的氧化镓日盲探测器能带仿真的图7