由深圳平湖实验室和西安电子科技大学的研究团队在学术期刊 Journal of Applied Physics 发布了一篇名为 The impact of many-body effects on the properties of β-(AlGa)2O3 / Ga2O3 quantum cascade structure （多体效应对 β-(AlGa)2O3/ Ga2O3 量子级联结构特性的影响）的文章。
项目支持
该研究得到了国家自然科学基金 (NNSFC)（Grant No. 61474090）、陕西省重点研发计划（Grant No. 2017ZDXM-GY-052）、中央高校基本科研业务费和西安电子科技大学创新基金（Grant No. 20109205456）以及深圳市平湖实验室项目（Grant No. 224110）的资助。
背 景
量子级联探测器（QCD）是一种基于子带间跃迁的光电探测器，在红外光谱、高速探测等领域有广泛应用潜力，可在宽波长和大温度范围内工作。传统的 QCD 材料体系（如 AlGaAs/GaAs, InAlAs/InGaAs 等 III-V 族材料）通常具有较小的导带带阶（~0.5-1 eV），这限制了其工作波长范围，并且其响应峰常常随温度升高而发生红移。β-氧化镓（β-Ga2O3）及其合金 β-(AlxGa1−x)2O3 是新兴的超宽禁带半导体材料。β-Ga2O33 具有~4.8 eV 的宽带隙和~44 meV 的纵向光学声子能量等有利特性。其与 β-(AlxGa1−x)2O3 形成的异质结具有高达 1.7 eV 的可调导带带阶，使其成为 QCD 的潜在候选材料。在高载流子浓度的量子阱结构中，多体效应对电子结构和器件性能有显著影响。先前的理论研究表明，在其他材料体系（如 AlGaAs/GaAs）的量子阱探测器中，考虑多体效应对于精确预测子带能量和吸收光谱至关重要。然而，目前尚缺乏关于该结构中多体效应对其能带结构与光电性能影响的系统研究。
主要内容
该研究团队从理论上研究了多体效应（包括 Hartree 势、交换-相关势、去极化效应和激子效应）对一种 n 型 β-(Al0.3Ga0.7)2O3 / Ga2O3 量子级联结构的影响，该结构一个周期内包含四个宽度不同的量子阱。通过迭代求解薛定谔-泊松方程获得器件的导带结构和波函数，以描述束缚态之间的电子输运过程。研究结果表明，多体效应对能带参数，尤其是有源区量子阱中子带的能级和波函数，具有显著影响。考虑多体效应后，吸收峰值系数从原先的 6.14 × 10−4 增加至 1246.93 cm−1。去极化效应与激子效应共同引起了峰值响应波长约 1.33 μm 的偏移。此外，当温度从 77 K 升高至 300 K 时，器件的峰值响应度仅下降 22.87 %，而峰值响应波长几乎不变，表明该量子级联探测器（QCD）具有出色的温度稳定性。在室温下，器件的暗电流仅为 1.46 × 10−15 A，远低于部分在相似波长下工作的 QCD 器件（如 InGaAs/InAlAs、AlGaAs/GaAs、InGaAs/AlGaAs 和 AlGaN/GaN 基器件）。该研究成果将有助于 β-(AlGa)2O3/ Ga2O3 QCD 的进一步研发。
创新点
总 结
研究团队通过自洽求解薛定谔–泊松方程，系统研究了多体效应对长波红外 β-(Al0.3Ga0.7)2O3 / Ga2O3 QCD 的影响。分析了多体效应条件下器件的导带结构和响应谱特性。Hartree势对能级影响较小，但对波函数具有明显作用。交换-相关势对有源区量子阱中的基态子带产生显著影响。去极化效应和激子效应则有效地调节了峰值响应波长。
在考虑多体效应后，器件的峰值响应波长从 9.40 μm 降低至 8.07 μm。此外，β-(AlGa)2O3/ Ga2O3 QCD 展现出优异的温度稳定性，其室温暗电流在同类器件中处于较低水平。上述结果为高性能 β-(AlGa)2O3/ Ga2O3 QCD 器件的设计与制造提供了理论指导。
图片示例
图 1. β-(AlGa)2O3/ Ga2O3 QCD 的横截面示意图。
图 2. 在 300 K 和 0 V 条件下，β-(Al0.3Ga0.7)2O3 / Ga2O3 QCD 的部分导带结构（a）未考虑多体效应，（b）仅考虑Hartree势，（c）仅考虑交换-相关电势，（d）考虑多体效应。虚线代表势能项。
文章来源：亚洲氧化镓联盟
论文链接：https://doi.org/10.1063/5.0254625
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