华南师范大学Adv. Optical Mater.：混合维度GaN/AlN微米线/石墨烯/非故意掺杂GaN范德华异质结用于高性能热电子晶体管与紫外光电探测器

研究背景

硅基半导体器件的持续微缩带来了严重的短沟道效应、漏电流升高与功耗攀升，从根本上限制了传统电子系统性能的进一步提升。热电子晶体管以高能热电子而非少数载流子作为工作载流子，支持亚皮秒渡越时间的弹道输运，可彻底消除少子存储效应，实现面向高频电路与太赫兹通信的超快开关，因而被视为极具潜力的替代方案。

然而，目前最先进的热电子晶体管普遍受制于三个关键问题：热电子注入效率低、基区电子背散射严重、载流子收集能力不足。传统器件所采用的较厚固态基区会加剧载流子散射并增大基区电阻，进一步恶化电流增益。单层石墨烯凭借原子级厚度、超高载流子迁移率与无悬挂键表面，可与宽禁带半导体形成洁净的范德华界面，有效抑制界面缺陷并促进电荷输运，是理想的基区材料；但已报道的石墨烯基热电子晶体管仍存在电流密度不足、隧穿势垒调控不稳定、电流增益偏低等局限。

另一方面，GaN/AlN异质结构在强自发极化与压电极化的驱动下可形成高密度二维电子气，显著降低接触电阻并改善载流子注入；一维GaN/AlN微米线比表面积大、利于载流子定向输运，有助于减小有效发射面积并抑制漏电流。尽管GaN/石墨烯复合结构已有多种报道，但将一维GaN/AlN微米线发射极、二维石墨烯基区与三维GaN集电极集成于同一垂直异质结构的研究仍基本空白，其电学与光电协同性能尚未得到系统研究。

成果简介

近日，华南师范大学李述体研究员、高芳亮研究员团队在Advanced Optical Materials上发表研究成果，构筑了由一维GaN/AlN微米线、二维单层石墨烯与三维非故意掺杂GaN组成的混合维度垂直范德华异质结热电子晶体管。

研究团队通过能带工程，将发射极—基极势垒（约1.68 eV）刻意设计为高于基极—集电极势垒（约0.51 eV），使器件在高效注入热电子的同时滤除低能冷电子。电学测试表明，器件的共基极电流收集效率高达99.9%，共射极电流增益达11.9，优于文献中报道的多数热电子晶体管。借助范德华界面固有的内建电场，该器件还可工作于三种紫外探测模式，兼具极低暗电流、自供电响应与高灵敏度，为单片集成电学放大与紫外探测功能的多功能光电芯片提供了可行的器件平台与新思路。

图文导读

图1 器件结构与材料表征。(a) GaN/AlN微米线/石墨烯/非故意掺杂GaN热电子晶体管的截面结构示意图；(b) 硅衬底上生长GaN/AlN微米线后的截面扫描电镜图；(c) GaN/蓝宝石衬底的X射线衍射图谱；(d) 单层石墨烯的拉曼光谱；(e) 器件中微米线部分的扫描电镜图；(f) 器件表面的能谱元素分析：(i) 元素表征选区，(ii) Ga元素分布，(iii) Au元素分布，(iv) C元素分布。

器件以覆盖有转移石墨烯的GaN衬底为基础，GaN/AlN微米线作为发射极，并由AlN隧穿势垒与基区隔开，Al₂O₃层提供横向绝缘，Cr/Au金属化形成发射极、基极与集电极三端电极。所制备的微米线具有规则的梯形截面与原子级平整表面，保证了微米线与石墨烯之间接触面积稳定、器件间性能一致。X射线衍射在2θ = 34.6°处呈现强(002)衍射峰，证实微米线与体材料u-GaN均为高质量纤锌矿单晶。拉曼光谱在1578 cm⁻¹（G峰）与2670 cm⁻¹（2D峰）处出现两个显著峰，I(2D)/I(G)约为2.0且无明显D峰，说明湿法转移很好地保留了单层石墨烯的本征结构与低缺陷密度。能谱面扫显示Ga、N、C、Au元素分布均匀、层间界面清晰，无元素互扩散，证明形成了无污染的范德华界面。

图2 异质结能带结构与整流特性。(a) 热平衡状态下器件的能带图；(b) 导通状态下发射极—基极二极管的能带图；(c) 导通状态下基极—集电极二极管的能带图；(d) 发射极—基极二极管的I–V特性曲线；(e) 基极—集电极二极管的I–V特性曲线。

发射极—基极结的开启电压约为1.7 V，较高的数值源于宽禁带AlN隧穿势垒以及GaN/AlN界面极化诱导的内建电势；强自发极化与压电极化在极性界面处形成高密度二维电子气，提高了载流子浓度、降低了接触电阻并改善热电子注入效率。相比之下，基极—集电极结为石墨烯与非故意掺杂GaN构成的肖特基接触，开启电压仅约0.5 V，源于两种材料之间适中的费米能级差。基于Simmons与Fowler–Nordheim隧穿理论及热电子发射理论的分段线性拟合进一步表明，发射极—基极结在1.68 V处由直接隧穿转变为F–N隧穿，基极—集电极结在0.51 V处由热电子发射转变为F–N隧穿，与理论预测的转变电压区间吻合良好。变温测试显示发射极电流对温度不敏感，而集电极电流随温度显著上升，证实前者由量子隧穿主导、后者由热电子发射主导。

图5 热电子晶体管的电学放大特性。(a) 共基极电路配置；(b) 共射极电路配置；(c) 共基极配置下不同V_CB时修正集电极电流I_C′随V_BE的变化曲线；(d) 共射极配置下不同V_CB时基极电流I_B随V_BE的变化曲线；(e) V_CB = 2 V时共射极配置的Gummel曲线。

在共基极配置中，正偏的发射极—基极结促进热电子隧穿注入，反偏的基极—集电极结提升高能热电子的收集效率，I_C′随V_BE与V_CB单调增大，电流收集效率α达到约99.9%，接近理想的热电子收集极限。在共射极配置中，固定V_BE时基极电流随V_CB升高而单调下降，反映出反偏增强使肖特基势垒倾斜、被反射回基区的载流子份额减少。V_CB = 2 V时的Gummel曲线给出最大集电极电流14.0 μA（电流密度约2 mA cm⁻²）与最大共射极电流增益β ≈ 11.9。优异增益源于三方面结构优势：原子级厚度的石墨烯基区消除少子存储效应并将基区渡越时间缩短至亚皮秒量级；一维GaN微米线发射极减小有效注入面积、抑制漏电流；洁净的范德华界面减少缺陷辅助复合与界面散射。

图6 发射极—基极光电二极管（GaN/AlN微米线/石墨烯）的紫外探测性能。(a) 器件能带图；(b) 暗态及不同光强下的I–V曲线；(c) 2 V偏压、不同光强下的响应度；(d) 比探测率；(e) 灵敏度。

AlN绝缘势垒在反偏下阻挡热激发载流子，使暗电流低至10⁻¹⁰ A量级，为获得高比探测率奠定了基础。采用325 nm连续波紫外激光激发，光子能量高于GaN禁带宽度，可高效产生光生载流子；GaN/石墨烯界面的内建电场有效分离电子—空穴对并抑制复合，低光功率下光暗电流比超过三个数量级。在2 V偏压下，器件的响应度达20.7 A W⁻¹，比探测率达3.1 × 10¹¹ Jones，灵敏度高达2.4 × 10⁵ %。值得注意的是，响应度与比探测率随光功率呈先降后升的非单调变化：低光强下界面陷阱易于俘获光生载流子而限制光电流，当光强超过约0.5 mW cm⁻²后陷阱逐渐饱和，光电流呈超线性增长，响应度与探测率随之回升。

图8 发射极—集电极光电二极管（GaN/AlN微米线/石墨烯/非故意掺杂GaN）的结构与光电性能。(a) 器件结构与工作原理示意图；(b) 对应的能带结构与载流子输运路径；(c) 紫外光周期性开关下的光响应；(d) 用于确定上升时间与下降时间的瞬态放大曲线；(e) 不同光强下的I–V曲线；(f) 2 V偏压、不同光强下的响应度；(g) 比探测率；(h) 灵敏度。

在发射极—集电极模式下，器件将光生载流子分离与本征电流放大结合于一体。与常规光电晶体管不同，该器件的发射极与集电极均由GaN构成，可在两个结区同时吸收紫外光子。光生空穴在石墨烯基区累积并降低其费米能级，同时施加于发射极的负偏压抬升GaN微米线的能带边，二者协同显著促进电子由发射极注入基区，形成本征光电导增益。时间分辨测试给出上升时间（10%–90%）与下降时间（90%–10%）分别为74 ms与91 ms，撤去光照后光电流迅速回到暗电流基线，无明显持续光电导拖尾，说明器件以本征热电子光电晶体管增益为主导，界面缺陷引起的陷阱辅助光电导增益较弱。三种工作模式的对比表明：发射极—基极模式凭借AlN势垒获得最低暗电流，基极—集电极模式因缺乏绝缘势垒而探测率较低但光敏面积大、线性度好，而三端光电晶体管模式则凭借固有增益获得最高灵敏度。

总结展望

该工作成功制备了基于GaN/AlN微米线、单层石墨烯与非故意掺杂GaN的垂直热电子晶体管。所合成的微米线结晶质量高、形貌规整，转移后的单层石墨烯缺陷密度低，为器件优异的电学与光电性能奠定了材料基础。器件在共基极配置下实现接近理想的99.9%载流子收集效率，在共射极配置下获得11.9的稳定电流增益；结合GaN的宽禁带特性与异质结内建电场，器件还可作为三模式紫外探测器工作。该研究验证了1D/2D/3D混合维度GaN异质结构用于单片集成晶体管放大与紫外探测的可行性。

作者同时指出，受限于严重的寄生漏电与薄AlN隧穿势垒的提前介电击穿，本工作尚未获得可靠的共射极输出特性（I_C–V_CE），高频渡越延迟表征亦有待补充。面向后续优化，可从两个核心功能层入手：对AlN隧穿势垒进行精确厚度调控与原位生长，以调节隧穿几率、抑制漏电并增强热电子过滤能力，同时提升AlN结晶质量以降低体缺陷与热载流子散射损失；对石墨烯基区则改进转移工艺以去除残留PMMA污染，构筑高质量范德华接触，并通过静电掺杂连续调节石墨烯费米能级，从而调控石墨烯/GaN肖特基势垒高度、优化热电子收集效率。该器件架构有望服务于存内感算、紫外通信与高灵敏环境监测等下一代智能光电系统。

文献链接

Mixed-Dimensional GaN/AlN Microwires/Graphene/u-GaN Van der Waals Heterojunctions for High-Performance Hot-Electron Transistors and Ultraviolet Photodetectors

DOI：https://doi.org/10.1002/adom.71785