基于金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積的ε-Ga2O3薄膜的非對(duì)稱肖特基結(jié)構(gòu)超高性能日盲光電探測(cè)器
Ga2O3有著4.7-5.2eV的寬禁帶，本質(zhì)上適合日盲光電探測(cè)器。Ga2O3有五種同構(gòu)異形體，單斜β-Ga2O3薄膜因其高溫度穩(wěn)定性已經(jīng)有了大量的研究。其他相，特別是α-、γ-、δ-和ε-Ga2O3很少被研究。比來(lái)，由于ε-Ga2O3其有高度對(duì)稱的六面體結(jié)構(gòu)，有可能將氮化物和ε-Ga2O3結(jié)合起來(lái)，形成致力于光電應(yīng)用的III-氧化物/III-氮化物異質(zhì)結(jié)器件結(jié)構(gòu)，因此而廣受科研工作者關(guān)注。
在本文中，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)龍世兵課題組通過(guò)氯化物輔助MOCVD，成功地生長(zhǎng)出了在c-平面藍(lán)寶石襯底上的高質(zhì)量單晶ε-Ga2O3薄膜?；诋愘|(zhì)ε-Ga2O3薄膜上的，帶有非對(duì)稱肖特基電極的日盲光電探測(cè)器被構(gòu)建。此器件表現(xiàn)出高性能日盲特性，5.7×104的高光-暗電流比（PDCR），4.2×1014Jones的高探測(cè)率和4.1×104%的外量子效率。同時(shí)實(shí)現(xiàn)了84 A/W的響應(yīng)率，100 ms的快響應(yīng)速度。
1.3.1 ε-Ga2O3日盲光電探測(cè)器結(jié)構(gòu)
圖1. 制備的ε-Ga2O3 SBPD的橫截面示意圖。ε-Ga2O3 外延膜的 (b)X射線衍射圖和(c) 透過(guò)譜。
圖1(a)展示了制備的ε-Ga2O3 SBPD的截面圖。ε-Ga2O3異質(zhì)外延層生長(zhǎng)于藍(lán)寶石上，通過(guò)MOCVD，HCl誘導(dǎo)的生長(zhǎng)方式生長(zhǎng)。掃描電子顯微鏡圖像顯示MOCVD生長(zhǎng)的ε-Ga2O3薄膜的表面形態(tài)平整，圖1(b)中ε-Ga2O3外延薄膜的X射線衍射（XRD）圖像展示該薄膜為高晶體質(zhì)量的純相ε-Ga2O3。圖1(c)為ε-Ga2O3薄膜UV-可見(jiàn)光學(xué)透射光譜。在低于280nm時(shí)，透過(guò)急劇下降，表明在此后波長(zhǎng)有著很強(qiáng)的吸收能力，證實(shí)了該薄膜的日盲特性。
1.3.2 ε-Ga2O3日盲光電探測(cè)器性能
圖2. 在暗環(huán)境和光照下的線性和半對(duì)數(shù)坐標(biāo)下的I-V曲線。(b)在暗環(huán)境和光照條件下的半對(duì)數(shù)坐標(biāo)的I-V曲線。 (c)光電流和光/暗電流比和(d)響應(yīng)度和探測(cè)率隨光強(qiáng)的變化關(guān)系。
圖2(a)為ε-Ga2O3 SBPD在黑暗和在254 nm，強(qiáng)度為87 μW/cm²光照下半對(duì)數(shù)和線性I-V曲線。暗電流在電壓-6V到+6V范圍內(nèi)保持在很低水平，該器件表現(xiàn)出很好的肖特基特性。利用傳輸線模型計(jì)算得Ti/Au接觸的接觸電阻率為4.32×10² Ω cm²。此外，ε-Ga2O3薄膜方塊電阻為1.2×1012Ω/sq。因此，低開(kāi)態(tài)電流可歸因于高平面電阻和接觸電阻。利用對(duì)J-V圖線性擬合得φB為0.88 eV。
通常來(lái)說(shuō)，光電響應(yīng)特性依賴于光強(qiáng)。因此，在ε-Ga2O3 SBPD上研究了I-V曲線和光強(qiáng)的關(guān)系，如圖2(b)所示?？梢钥吹焦怆娏麟S著光強(qiáng)而增加。
我們計(jì)算了一些關(guān)鍵的品質(zhì)因數(shù)來(lái)評(píng)估制備的ε-Ga2O3 SBPD的性能，例如響應(yīng)度（R），探測(cè)度（D*）和外量子率（EQE）。該器件在不同光照強(qiáng)度下的關(guān)鍵參數(shù)在V=6V時(shí)被提取，正如圖2(c)和(d)所示。正如期待的那樣，光電流隨著光照強(qiáng)度而增大，因?yàn)樵诟吖夤β使庹障略?i>ε-Ga2O3溝道中有更多的光子被吸收以及更多的光激發(fā)載流子產(chǎn)生。因此，PCDR、R和D*也會(huì)隨著光照強(qiáng)度而增大，表明不會(huì)有ε-Ga2O3 SBPD的光或熱引導(dǎo)退化。
1.3.3 不同光強(qiáng)及柵壓對(duì)ε-Ga2O3日盲光電探測(cè)器性能的影響
圖3. 該器件在不同偏壓條件下的時(shí)間相應(yīng)特性。(b)歸一化下降沿過(guò)程。(c)該ε-Ga2O3 SBPD的反向I-V特性曲線。(d)該器件得到的響應(yīng)度與衰減時(shí)間的關(guān)系
圖3(a)為在不同電壓下，光強(qiáng)為87μW/cm²的時(shí)光電流隨時(shí)間變化的響應(yīng)特性。光電流隨著偏壓而增大，因?yàn)楣馍d流子被電場(chǎng)加速，因此更多的光生載流子在更高偏壓下被收集。為了獲得精確的響應(yīng)速度，放大的歸一化時(shí)變光電流曲線畫(huà)在圖3(b)中，以展示下降過(guò)程。下降時(shí)間被定義為從90%下降至10%的時(shí)間，估算為100ms，與已報(bào)導(dǎo)的Ga2O3 探測(cè)器相比，這是一個(gè)很快的速度。快下降時(shí)間可歸功于在通過(guò)MOCVD生長(zhǎng)的ε-Ga2O3薄膜中，通過(guò)氫/氯對(duì)深能級(jí)陷阱的鈍化，在此過(guò)程中HCl作為催化劑。
圖3(c)為黑暗環(huán)境下制備的ε-Ga2O3 SBPD的反向I-V特性曲線，高擊穿電壓使得ε-Ga2O3薄膜有可能被用來(lái)制造高增益的光電二極管。在此工作中，在ε-Ga2O3 SBPD上實(shí)現(xiàn)了84A/W的響應(yīng)度，和100ms的快響應(yīng)速度。如圖3(d)所示。
中國(guó)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(dǎo)體氧化鎵材料的生長(zhǎng)，器件開(kāi)發(fā)，包括電力電子器件以及紫外探測(cè)器件，功率器件模組以及成像系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。主要期望通過(guò)優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，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(cè)器件，實(shí)現(xiàn)更高的擊穿電壓，更低的導(dǎo)通電阻，更高的響應(yīng)度和更快的響應(yīng)速度等。截止目前，龍世兵教授主持國(guó)家自然科學(xué)基金、科技部（863、973、重大專項(xiàng)、重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃）、中科院等資助科研項(xiàng)目15項(xiàng)。在Adv. Mater., ACS Photonics，IEEE Electron Device Lett.等國(guó)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(shù)44。獲得/申請(qǐng) 100余項(xiàng)，其中9項(xiàng)轉(zhuǎn)移給國(guó)內(nèi)大的集成電路制造企業(yè)中芯國(guó)際，74項(xiàng)授權(quán)/受理發(fā)明 許可給武漢新芯。
文章信息
這一成果以“High-Performance Metal-Organic Chemical Vapor Deposition Grown ε-Ga2O3 Solar-Blind Photodetector With Asymmetric Schottky Electrodes”為題發(fā)表在IEEE Electron Device Letters期刊上。中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)覃愿為作者，龍世兵教授為通訊作者。
文章信息：IEEE Electron Device Letters, 2019, 40(9), 1475-1478上
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