由于可以廣泛用于光學(xué)成像，空間光通信、定位導航等領(lǐng)域，作為現代光電設備中關(guān)鍵組件的光電探測器（PD）近年來(lái)已引起越來(lái)越多的研究興趣。目前，商用光電探測器主要基于Si光電二極管，是因為它的低成本和與高度成熟的硅工藝帶來(lái)的高度兼容性。在280 nm以下的波長(cháng)下工作的深紫外光電探測器（深紫外光PD）尚未十分成熟，它們是近年來(lái)在火焰探測，機密空間通信，深紫外線(xiàn)成像機方面具有潛在應用的研究熱點(diǎn)。能隙為4.7-4.9 eV的Ga₂O₃材料，由于其高輻射耐受性，高熱穩定性和化學(xué)穩定性以及在深紫外區域的強吸收性，是未來(lái)有發(fā)展前景的深紫外光PD的候選項。

在本文中，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)龍世兵教授課題組提出一種在通過(guò)MBE生長(cháng)的硅摻雜同質(zhì)β-Ga₂O₃薄膜上的增強型日盲金屬-氧化物-半導體場(chǎng)效應光電晶體管（MOSFEPT）的方案。鈍化對于修改電子濃度，以抑制和暗電流，是很重要的一步。由于β-Ga₂O₃薄膜具有高晶體質(zhì)量和極低的暗電流，因此深紫外光光電晶體管在深紫外光光電探測方面表現出很好的性能，如A/W的響應度，低至100/30ms的上升/下降時(shí)間， Jones的探測度，以及的PDCR。

增強型β-Ga₂O₃ MOSFET日盲光電探測器的制備及器件結構

圖1(a) β-Ga₂O₃日盲光電晶體管的截面示意圖。β-Ga₂O₃薄膜的表面形態(tài)通過(guò)原子力顯微鏡（AFM）顯示，如圖1(b)顯示。

圖1. (a)增強型β-Ga₂O₃ MOSFET剖面示意圖，(b)摻雜β-Ga₂O₃薄膜的2D AFM 圖像。

增強型β-Ga₂O₃ MOSFET日盲光電探測器的柵控光電響應特性

對數以及線(xiàn)性形式的β-Ga₂O₃ MOSFET 的傳輸特性曲線(xiàn)如圖2(a)所示。漏-源電壓控制在20V。這個(gè)晶體管處于常關(guān)狀態(tài)，由線(xiàn)形圖可推算出閾值電壓為7V。增強型β-Ga₂O₃ MOSFET由柵槽工藝實(shí)現。晶體管開(kāi)/關(guān)電流比約為，閾下擺幅為250mV/dec，由此表明此制備的晶體管擁有很好的場(chǎng)效應晶體管特性。當此器件被254nm以下深紫外光光照射時(shí)，在關(guān)閉狀態(tài)下，漏-源電流I_DS電流增長(cháng)了將近六個(gè)數量級。更寬的有效操作窗口被基于增強型的晶體管成功地實(shí)現。在能量范圍為導帶之下0.2-0.8eV時(shí)，SiO₂/Ga₂O₃異質(zhì)界面的界面態(tài)密度由曲線(xiàn)可計算得到 cm²eV^-1，這證明SiO₂鈍化能夠有效抑制β-Ga₂O₃溝道的表面陷阱態(tài)。圖2為此器件的輸出特性曲線(xiàn)，輸入范圍為4到12V，每步2V，通過(guò)線(xiàn)性及飽和區表明是一個(gè)典型晶體管的特性。在線(xiàn)性區，I_DS隨著(zhù)輸入電壓迅速升高，證明了β-Ga₂O₃溝道很強的調制能力。

圖2(c)為時(shí)變光電響應。此測試在V_G=-5V夾斷狀態(tài)下執行，V_DS變化范圍為5V到20V，每步5V。I_DS在打開(kāi)光照時(shí)突然增加至穩定的飽和值，在關(guān)閉光照后突然下降。當V_G被固定在-5V時(shí)，此光電晶體管暗電流低于1pA，并且隨著(zhù)V_DS而增加。創(chuàng )新高的光-暗電流比為，在V_DS=20V時(shí)實(shí)現，這可歸功于極低的暗電流以及此器件很強的在深紫外光光照下產(chǎn)生光激發(fā)載流子的能力。此器件展示出很快的響應速度，有很低的上升時(shí)間以及下降時(shí)間，正如圖2(d)所示。并且通過(guò)擬合在V_G和V_DS分別固定于-5V和20V時(shí)的光電響應曲線(xiàn)，上升時(shí)間和下降時(shí)間可計算得分別為100ms和30ms。高響應速度或許是由于同質(zhì)β-Ga₂O₃薄膜的高晶體質(zhì)量和通過(guò)SiO₂鈍化對表面缺陷態(tài)的抑制。

一些品質(zhì)因數被用來(lái)評估探測器的性能，例如響應度（R）、探測率（D*）、外量子效率（EQE）、線(xiàn)性動(dòng)態(tài)范圍（LDR）等等。我們器件的探測率估算得 Jones，由于極低的暗電流，此結果在所有實(shí)現的探測器中為很高值。另一個(gè)探測器關(guān)鍵品質(zhì)因數為線(xiàn)性動(dòng)態(tài)范圍(LDR)，為了實(shí)現高質(zhì)量成像，對成像應用，對于傳統CMOS成像傳感器的暗電子數量全井容量的比例要求要高于60dB。我們光電晶體管LDR計算為142dB，說(shuō)明我們的β-Ga₂O₃日盲光電晶體管對于高性能的日盲成像應用是很有前景的。

圖2. (a)β-Ga₂O₃ MOSFEPT的半對數和線(xiàn)性傳輸特性曲線(xiàn) (b) 不同電壓下器件輸出特性曲線(xiàn) (c)器件光電特性隨時(shí)間響應關(guān)系 (d)隨時(shí)間的光響應特性曲線(xiàn)以及相關(guān)的擬合曲線(xiàn)。

增強型β-Ga₂O₃ MOSFET日盲光電探測器在不同光功率下的響應

探測器的光探測性能一般還取決于光功率。如圖3(a-c)所示，在光電晶體管夾斷狀態(tài)下，光電流隨著(zhù)光功率而增加，因為有更多的電子被吸收以及在更高光功率下在β-Ga₂O₃溝道中有更多的光激發(fā)載流子產(chǎn)生。R，EQE和D*被發(fā)現在特定范圍內隨著(zhù)光功率而增加，之后再更高的光功率之下減少，這可能是由于光吸收飽和。

圖3(d)為在器件V_G=-5V，V_DS=20V下的歸一化光譜響應。很明顯，此器件展示出截止波長(cháng)為~270nm的日盲光電探測。此器件在254nm時(shí)達到最大響應度，當波長(cháng)高于280nm時(shí)幾乎沒(méi)有光電響應。

圖3. (a)不同光照功率下的器件傳輸特性曲線(xiàn) (b) 響應度和外量子效率 (c) 探測率隨光功率變化的曲線(xiàn) (d)不同V_G下測量的響應度。

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“Enhancement-Mode _-Ga2O3 Metal–Oxide–Semiconductor Field-Effect Solar-Blind Phototransistor With Ultrahigh Detectivity and Photo-to-Dark Current Ratio”為題發(fā)表在IEEE Electron Device Letters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：IEEE Electron Device Letters, 2019, 40(5), 742-745。 

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