日盲光電探測器對波長(cháng)在220-280 nm范圍內的光敏感，在軍事和商業(yè)領(lǐng)域都有著(zhù)廣泛的應用，例如光學(xué)追蹤、光通信和成像。得益于*的材料和電學(xué)特性，包括良好的熱學(xué)和化學(xué)穩定性、優(yōu)異的抗輻照性能以及直接對應日盲區域的光探測波長(cháng)，寬禁帶半導體材料具備更顯著(zhù)的優(yōu)勢。在過(guò)去的幾年里，由于Ga₂O₃相關(guān)材料的優(yōu)異的抗輻照特性、良好的熱穩定性以及4.7-5.3 eV直接對應于日盲波段的超寬禁帶寬度，已經(jīng)引起了廣泛的關(guān)注。目前，幾乎所有關(guān)于Ga₂O₃ PDs的研究都是基于a-或β-Ga₂O₃材料，然而，探測器的光電性能不盡如人意，并且增益機制尚未分析確定。因此，ε-Ga₂O₃的材料和光電特性有待進(jìn)一步研究。

本工作研究了基于通過(guò)MOCVD方法在藍寶石襯底上生長(cháng)的ε-Ga₂O₃外延薄膜制備的高性能MSM SBPDs。該MSM ε-Ga₂O₃ PDs展現出諸如230 A/W的響應度和1.2×10⁵的抑制比（R_{250 nm}/R_{400 nm}）等優(yōu)異的日盲光電探測性能。此外，該器件的外量子效率（EQE）很高（1.13×10⁵%）、探測率高（1.2×10¹⁵ Jones）、恢復速度快（24 ms），表明其具有很高的靈敏度和對極弱信號的探測能力。重要的是，本文基于電流輸運特性和密度泛函理論（DFT）解釋了MSM ε-Ga₂O₃ SBPD的增益機制。這些結果表明ε-Ga₂O₃具備在未來(lái)應用于日盲光敏和成像領(lǐng)域的潛能。

MSM ε-Ga₂O₃ SBPD 電流輸運機制研究

MSM ε-Ga₂O₃ SBPD的結構示意圖如圖1（a）所示。指電極由20/50 nm Ti/Au組成，薄膜的禁帶寬度為4.9 eV。如圖1（b）利用在黑暗環(huán)境下溫度依賴(lài)的電流-電壓（I-V-T）特性來(lái)探究電流輸運機制，I-V-T曲線(xiàn)可以分為兩種狀態(tài)：一個(gè)是低電場(chǎng)狀態(tài)，電流隨偏壓呈指數增長(cháng)；另一個(gè)是高電場(chǎng)狀態(tài)，電流對電壓的依賴(lài)關(guān)系不明顯。

圖1.（a）MSM ε-Ga₂O₃ SBPD的結構示意圖。（b）在不同溫度下暗場(chǎng)中I-V曲線(xiàn)。（c）ln(J)/V和（d）ln(J/E)/E^1/2隨溫度的變化曲線(xiàn)（e）參數c(T)和1/T的關(guān)系曲線(xiàn)及其線(xiàn)性擬合。（f）MSM ε-Ga₂O₃ SBPD能帶圖中TFE和PFE的示意圖。

在圖1（c）中可以看出，在低偏壓下TFE機制應該是主要的暗電流輸運機制。在大電場(chǎng)下的I-V特性表現出對偏壓的弱依賴(lài)關(guān)系，運用Poole-Frenkel emission（PFE）模型可以解釋該情況下可能的電流輸運機制。圖3（d）是ln(J/E)作為E^1/2的函數曲線(xiàn)，PFE是大電場(chǎng)下主導的電流輸運機制。如圖1（e）中曲線(xiàn)的斜率可以得到，ε-Ga₂O₃缺陷和導帶之間的發(fā)射勢壘高度為0.67 eV。圖1（f）給出了制備的PDs的能帶結構中的TFE和PFE機理的示意圖。

MSM ε-Ga₂O₃ SBPD 的光電響應特性

圖2（a）為黑暗條件和254 nm光照下剛制備好的PDs的I-V特性曲線(xiàn)，響應度為230 A/W。這一結果與高PDCR表明MSM ε-Ga₂O₃ SBPD具有高的效率和靈敏度。探測率為1.2×10¹⁵ Jones，表明該器件具實(shí)現高信噪比的能力。EQE為1.13×10⁵%。在不同光強下，上述指標的變化趨勢如圖2（b）和（c）所示。圖2（d）為半對數坐標中6 V偏壓下R和D*隨波長(cháng)變化的曲線(xiàn)，插圖為制備的PD的歸一化響應光譜?？梢钥闯鲰憫庾V的截止波長(cháng)為270 nm，器件表現出顯著(zhù)的日盲光電探測特性。器件的抑制比為1.2×10⁵。以上均表明MSM ε-Ga₂O₃ SBPD對日盲波段的光具有高靈敏度。

在室溫下，不同偏置電壓下MSM ε-Ga₂O₃ SBPD的光譜響應曲線(xiàn)如圖3所示。提取光譜響應曲線(xiàn)的峰值響應度，作為V^1/2的函數重新繪制在圖4中。由圖可知，R隨V^1/2的增加而指數增加。該器件得到的高增益和大響應度、外量子效率表明MSM ε-Ga₂O₃ SBPD中存在很高的內部增益機制。

圖2.（a）在不同條件下半對數坐標中器件的I-V特性。（b）光電流和PDCR，（c）R和D*對光強的依賴(lài)關(guān)系。（d）MSM ε-Ga₂O₃ SBPD的R和D*隨波長(cháng)的變化曲線(xiàn)。插圖為器件的歸一化光譜響應曲線(xiàn)。

圖3.不同偏壓下，半對數坐標中MSM ε-Ga₂O₃ SBPD的光譜響應曲線(xiàn)。

圖4. 響應光譜的峰值響應度作為V^1/2的函數曲線(xiàn)。

MSM ε-Ga₂O₃ SBPD 的增益機制研究

圖5（a）為I-V特性曲線(xiàn)，表明深能級缺陷態(tài)的亞禁帶吸收對光電流的貢獻作用，但在高溫下陷阱態(tài)中束縛的電子發(fā)射會(huì )削弱亞禁帶吸收現象。結合電流輸運機理，我們可以確定MSM ε-Ga₂O₃ SBPD的增益機制。如圖5（b）所示觀(guān)察可知響應度和光強、偏壓、工作溫度、M-S界面的陷阱態(tài)以及暗電流密切相關(guān)。肖特基勢壘的降低可以從響應度和外加電壓的關(guān)系中得到，如圖5（c）所示。被占據的陷阱態(tài)濃度N_ss。N_ss對溫度的依賴(lài)關(guān)系如圖5（d）所示，這種對溫度的依賴(lài)關(guān)系是因為在更高的溫度下更多的電子在陷阱態(tài)和導帶底之間發(fā)射。因此，受主型陷阱態(tài)捕獲光生空穴的可能性可以被降到最低，這將導致肖特基勢壘降低效應和MSM PD的增益被抑制。這一機制也可被圖6、圖7中不同溫度下的光電流和光響應的變化曲線(xiàn)證實(shí)。觀(guān)察可知，光電流和響應度隨溫度的升高而降低，表明電流增益被抑制。

圖5.（a）在不同條件下器件的I-V曲線(xiàn)。（b）MSM ε-Ga₂O₃ SBPD的能帶示意圖。（c）不同溫度下勢壘高度作為(V_bi-V)的函數。（d）被占據的缺陷態(tài)密度的Arrhenius圖。

圖6. MSM ε-Ga₂O₃ SBPD的I-V曲線(xiàn)對溫度的依賴(lài)關(guān)系。

圖7.光電流和響應度隨溫度的變化曲線(xiàn)。

MSM ε-Ga₂O₃ SBPD 的時(shí)間響應特性

圖8.（a）不同偏壓下，PD的I-T曲線(xiàn)。（b）P_λ=87 μW/cm²、V=6 V時(shí)I-T曲線(xiàn)放大的下降沿。

圖8（a）顯示了不同偏置電壓下光電特性隨時(shí)間的變化，器件對波長(cháng)254nm的光照具有良好響應、再現性和穩定性，在重復開(kāi)關(guān)光源時(shí)器件衰減速度很快。為了獲得更準確的恢復時(shí)間，將該瞬時(shí)響應的衰減階段放大后繪制在圖8（b）中。MSM ε-Ga₂O₃ SBPD器件的衰減時(shí)間τ_d1和τ_d2分別為24和79 ms。這兩個(gè)值與之前報道的Ga₂O₃光電探測器相比有明顯提高。

相較于之前的Ga₂O₃光電探測器，MSM ε-Ga₂O₃ SBPD展現了更為良好的綜合性能，其中包括基于MSM結構實(shí)現的當前高的響應度（230 A/W）和抑制比（R_{250 nm}/R_{400 nm}）為1.2×10⁵，高的歸一化探測率，光暗電流比，低暗電流和短的下降時(shí)間。

ε-Ga₂O₃ 薄膜第一性原理計算研究

為了進(jìn)一步研究ε-Ga₂O₃薄膜禁帶中的缺陷態(tài)，采用Vienna Ab initio和projector-augmented wave進(jìn)行DFT計算。采用Armiento-Mattsson 2005（AM05）泛函中的廣義梯度近似來(lái)計算交換相關(guān)能。采用了基于GGA+U基態(tài)的shGGA-1/2方法計算電子結構，結果得到禁帶寬度為4.49 eV。本文中計算了ε-Ga₂O₃中三個(gè)不等價(jià)氧的氧空位形成能，并在圖9（a）和（b）中分別繪制了帶氧空位的能帶圖和態(tài)密度。圖9（b）表明氧空位的形成會(huì )在禁帶中央引入缺陷態(tài)，在這些缺陷態(tài)處電子被高度局域。ε-Ga₂O₃薄膜的陰極發(fā)光光譜證實(shí)了缺陷態(tài)的存在，如圖10所示。

此外，本文研究了氫和氯摻雜有關(guān)的缺陷態(tài)，在圖9（c）中可以觀(guān)察到，深能級缺陷狀態(tài)可以被氫鈍化，得到Ga₂O₃中的一個(gè)淺層施主。MSM ε-Ga₂O₃ SBPD快速的響應速度歸功于這些缺陷能級的鈍化。同樣地，如圖9（d）所示，Cl作為間隙雜質(zhì)時(shí)，將在ε-Ga₂O₃的帶隙中引入位于VBM上方的兩個(gè)缺陷能級。當Cl作為替位雜質(zhì)，缺陷移動(dòng)到導帶底（CBM），但在價(jià)帶頂（VBM）附近仍然存在深能級缺陷態(tài)。圖11給出了ε-Ga₂O₃能帶圖。

圖9.（a）ε-Ga₂O₃中三種不等價(jià)氧的能帶結構圖。藍色和紅色的值分別表示禁帶寬度和價(jià)帶頂上部的氧空位引入的缺陷能級。（b）三種不等價(jià)氧，（c）間隙/替位雜質(zhì)H和（d）間隙/替位雜質(zhì)Cl 引入的缺陷能級態(tài)密度。

圖10. ε-Ga₂O₃薄膜的陰極發(fā)光光譜。

圖11. ε-Ga₂O₃的能帶圖。

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)龍世兵教授課題組簡(jiǎn)介

    課題組主要從事寬禁帶半導體氧化鎵材料的生長(cháng)，器件開(kāi)發(fā)，包括電力電子器件以及紫外探測器件，功率器件模組以及成像系統的開(kāi)發(fā)。主要期望通過(guò)優(yōu)化器件結構的設計，以及完善工藝開(kāi)發(fā)，制備更高性能的功率器件和深紫外探測器件，實(shí)現更高的擊穿電壓，更低的導通電阻，更高的響應度和更快的響應速度等。截止目前，龍世兵教授主持國家自然科學(xué)基金、科技部（863、973、重大專(zhuān)項、重點(diǎn)研發(fā)計劃）、中科院等資助科研項目15項。在Adv. Mater., ACS Photonics，IEEE Electron Device Lett.等國際學(xué)術(shù)期刊和會(huì )議上發(fā)表論文100余篇，SCI他引6300余次，H指數44。

文章信息

這一成果以Metal−Semiconductor−Metal ε?Ga₂O₃ Solar-Blind Photodetectors with a Record-High Responsivity Rejection Ratio and Their Gain Mechanism”為題發(fā)表在ACS Photonics期刊上。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)覃愿為第一作者，龍世兵教授為通訊作者。

文章信息：ACS Photonics, 2020, 7,3, 812-820。

本研究采用的是北京卓立漢光儀器有限公司DSR600 光電探測器光譜響應度標定系統，如需了解該產(chǎn)品，歡迎咨詢(xún)我司。

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