與單晶或多晶Ga₂O₃相比，非晶Ga₂O₃材料具有明顯的成本優(yōu)勢。本研究開(kāi)發(fā)出了一種具有超高性能和柵極可調光檢測能力的非晶Ga₂O₃日盲場(chǎng)效應光電晶體管，并對其光電性能進(jìn)行了全面調研。射頻磁控濺射用于在經(jīng)濟的Si/SiO₂襯底上沉積非晶GaO_x薄膜。通過(guò)施加適當的背柵電壓（V_G），可以很好地控制場(chǎng)效應光電晶體管的光電性能和暗電流。制成的日盲型GaO_x薄膜場(chǎng)效應光電晶體管具有出色的深紫外光光電探測特性，包括4.1×10³ AW^-1的超高光敏性，2.5 ×10¹³Jones的高探測率，以及*的外量子效率。在70 µW cm^-2的254 nm的弱光照下，外量子效率為2×10⁶％，光電導增益為1.6×10⁷ 。還揭示了光檢測特性取決于偏置電壓和光強度。另外，成功地展示了GaO_x光電晶體管作為感測像素的日盲成像功能。獲得了目標的清晰圖像，這是有關(guān)非晶GaO_x 探測器日盲成像的第一次報道。這些結果，加上其易于制造和低成本，使得該日盲非晶GaO_x薄膜場(chǎng)效應光電晶體管有望用于下一代光電成像應用。

柵極可調非晶Ga₂O₃薄膜光電晶體管器件結構

柵極可調光檢測能力的非晶Ga₂O₃日盲場(chǎng)效應光電晶體管如圖1所示。為了確定非晶GaO_x膜的特性，進(jìn)行了X射線(xiàn)衍射（XRD），掃描電子顯微鏡（SEM）和原子力顯微鏡（AFM）測量，實(shí)驗表明，沉積的GaO_x膜具有平坦表面和高均勻性。

圖1.非晶態(tài)GaO_x薄膜場(chǎng)效應光電晶體管的結構示意圖和非晶態(tài)GaO_x薄膜的物理特性。(a)制成的GaO_x光電晶體管的橫截面圖像(b)濺射沉積的非晶態(tài)GaO_x薄膜的X射線(xiàn)衍射曲線(xiàn)，(c)截面掃描電子顯微鏡圖像，(d) 二維原子力顯微鏡圖像。

非晶Ga₂O₃薄膜光電晶體管的電光響應特點(diǎn)

圖2(a)展示了濺射非晶GaO_x薄膜的O1s軌道能級的X射線(xiàn)光電光譜光譜（XPS）。根據高斯擬合分析法，O1s峰通?？梢苑譃槿齻€(gè)分量：O_?，O_??，和O_???。峰面積用于表征每種成分的強度，強度比經(jīng)計算為O_??/(O_?+O_??)=59.3％，這表明濺射非晶GaO_x膜中存在許多氧空位。為了進(jìn)一步表征濺射非晶GaO_x膜的材料特性，一種具有Au(50nm)/Ti(20nm)GaO_x(200nm)/Ti(20nm)/Au夾心金屬-絕緣體金屬結構的器件（50nm）被制造并且在黑暗中測量其電特性。使用空間電荷限制電流（SCLC）模型擬合I-V曲線(xiàn)，并計算非晶態(tài)GaO_x膜的缺陷密度和載流子遷移率。如圖2(b)所示，雙對數I-V曲線(xiàn)可分為三種狀態(tài)：1）歐姆區域，斜率為1；2）陷阱填充區域，斜率超過(guò)3；以及3）無(wú)陷阱區域，斜率為2。

圖2. 濺射非晶GaOx膜的X射線(xiàn)光電光譜光譜和基本電學(xué)特性。(a) XPS O1s核心級光譜，(b)黑暗環(huán)境下雙對數坐標的I-V曲線(xiàn)以及與空間電荷限制電流（SCLC）模型的擬合。插圖顯示了測試結構的橫截面圖。

為了探索非晶GaO_x薄膜光電晶體管的光電特性，在254 nm 深紫外光光照射下進(jìn)行了光電性能測量，如圖3所示。在測量過(guò)程中，重復打開(kāi)和關(guān)閉深紫外光，器件在重復操作過(guò)程中顯示出出色的可重復性和穩定性。上升時(shí)間τ_r和衰減時(shí)間τ_d分別為50秒和400秒以上。通過(guò)比較這些值，我們繪制了響應度和EQE作為V_G的函數，如圖3(e)所示。顯然，當V_G從−40 V增加到20 V時(shí)，R和EQE減小，這表明了V_G對光電性能的出色調制能力，實(shí)際應用中，關(guān)注的工作機制是GaO_x光電晶體管的耗盡區域。圖3(f)顯示在V_G=−30 V和V_DS = 2 V時(shí)該器件的歸一化光譜響應。該器件在約240 nm處達到其峰值響應度。截止波長(cháng)為280nm。紫外線(xiàn)/可見(jiàn)光的拒絕比率（R₂₄₀/R₄₀₀）約為1×10² ，這表明光電探測器對日盲紫外線(xiàn)具有相對較高的光譜選擇性。

圖3. 非晶態(tài)GaO_x薄膜光電晶體管的電氣和光電特性。(a)不同V_DS下測得的I_DS-V_G傳輸特性。(b) 暗環(huán)境下，I_DS-V_DS的輸出特性 (c)在不同V_G下測得的I_DS-V_DS輸出特性。(d)隨時(shí)間變化的光響應。(e)在不同的V_G下的響應度（R）和外部量子效率（EQE）。(f)歸一化的光譜響應度。插圖顯示了對數標度的響應光譜。

除了柵極電壓以外，光響應特性還受光強度的影響，如圖4（a）所示，光電流隨著(zhù)光強度的增加而增加。此外，研究了不同光強度下隨時(shí)間變化的光響應特性，圖4(b)，同時(shí)，在隨時(shí)間變化的光響應曲線(xiàn)中，還發(fā)現光電流隨著(zhù)光強度的降低而降低。如圖4(c)所示，隨著(zhù)光強度從22 µW cm^-2增加到87 µW cm^-2的探測率，響應度和EQE降低，與以前的報道相似。這種現象可能部分歸因于熱效應引起的載流子散射，部分歸因于非晶GaO_x薄膜在高光強度下的吸收飽和。

圖4.光強度對光電性能的影響。(a)在不同光強度下I_DS-V_DS特性。(b)在不同光強度下器件隨時(shí)間變化的光響應。(c)光電流和探測率為光強度的函數。(d)響應度和EQE與光強度的關(guān)系。

基于非晶Ga₂O₃薄膜光電晶體管的成像驗證

為了驗證成像感測功能，使用非晶GaO_x薄膜光電晶體管作為感測像素，實(shí)現了投影到日盲成像系統上的光學(xué)圖案的識別。成像系統的示意圖如圖5(a)所示。GaO_x光電探測器被用作單點(diǎn)狀成像元件以檢測深紫外光光。由于所制造的非晶態(tài)GaO_x光電探測器的超高性能和出色的穩定性，獲得了清晰的字母“CAS”圖像。圖5(d)紅色虛線(xiàn)的灰度值，表明通過(guò)將非晶GaO_x光電晶體管用作感測像素可以實(shí)現具有高保真度的清晰圖像。這些結果為制備用于實(shí)時(shí)成像的Ga₂O₃成像陣列鋪平了道路，并使Ga₂O₃ 深紫外光光電探測器成為將來(lái)有前景先進(jìn)光電系統的組成部分。

 

圖5. 非晶態(tài)GaO_x薄膜光電晶體管的日盲UV成像。(a)使用基于非晶Ga₂O₃的光電晶體管作為感應像素的日盲成像系統的示意圖。(b)在光罩上帶有字母“ CAS”的物體圖像。(c)從日盲成像系統獲得的圖像。(d)沿(c)中標記的線(xiàn)的灰度值。

結論

本研究中的非晶GaO_x薄膜光電晶體管的主要參數，例如響應度，探測率，外量子效率和光電導增益，均比基于二維 β-Ga₂O₃納米片、Ga₂O₃納米帶、以及Ga₂O₃納米線(xiàn)和微米線(xiàn)探測器好得多。此外，非晶GaO_x光電晶體管還比基于薄膜Ga₂O₃的MSM PD表現出更好的性能。如此高的性能以及低成本和易于制造的工藝，使得非晶GaO_x薄膜光電晶體管在未來(lái)的光電系統中具有很大的潛力，可用于陣列光電探測器和成像器。

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“Amorphous Gallium Oxide-Based Gate-Tunable High-Performance Thin Film Phototransistor for Solar-Blind Imaging”為題發(fā)表在Advanced Electronic Materials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：Advanced Electronic Materials, 2019, 5, 1900389.

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