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日盲光電探測器對波長在220-280 nm范圍內(nèi)的光敏感，在軍事和商業(yè)領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用，例如光學追蹤、光通信和成像。得益于優(yōu)越的材料和電學特性，包括良好的熱學和化學穩(wěn)定性、優(yōu)異的抗輻照性能以及直接對應(yīng)日盲區(qū)域的光探測波長，寬禁帶半導(dǎo)體材料具備更顯著的優(yōu)勢。在過去的幾年里，由于Ga2O3相關(guān)材料的優(yōu)異的抗輻照特性、良好的熱穩(wěn)定性以及4.7-5.3 eV直接對應(yīng)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一步研究。
本工作研究了基于通過MOCVD方法在藍寶石襯底上生長的ε-Ga2O3外延薄膜制備的高性能MSM SBPDs。該MSM ε-Ga2O3 PDs展現(xiàn)出諸如230 A/W的響應(yīng)度和1.2×105的抑制比（R250 nm/R400 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(fù)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(jié)果表明ε-Ga2O3具備在未來應(yīng)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
圖1.（a）MSM ε-Ga2O3 SBPD的結(jié)構(gòu)示意圖。（b）在不同溫度下暗場中I-V曲線。（c）ln(J)/V和（d）ln(J/E)/E1/2隨溫度的變化曲線（e）參數(shù)c(T)和1/T的關(guān)系曲線及其線性擬合。（f）MSM ε-Ga2O3 SBPD能帶圖中TFE和PFE的示意圖。
MSM ε-Ga2O3 SBPD的結(jié)構(gòu)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)境下溫度依賴的電流-電壓（I-V-T）特性來探究電流輸運機制，I-V-T曲線可以分為兩種狀態(tài)：一個是低電場狀態(tài)，電流隨偏壓呈指數(shù)增長；另一個是高電場狀態(tài)，電流對電壓的依賴關(guān)系不明顯。
在圖1（c）中可以看出，在低偏壓下TFE機制應(yīng)該是主要的暗電流輸運機制。在大電場下的I-V特性表現(xiàn)出對偏壓的弱依賴關(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E1/2的函數(shù)曲線，PFE是大電場下主導(dǎo)的電流輸運機制。如圖1（e）中曲線的斜率可以得到，ε-Ga2O3缺陷和導(dǎo)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(jié)構(gòu)中的TFE和PFE機理的示意圖。
MSM ε-Ga2O3 SBPD 的光電響應(yīng)特性
圖2.（a）在不同條件下半對數(shù)坐標中器件的I-V特性。（b）光電流和PDCR，（c）R和D*對光強的依賴關(guān)系。（d）MSM ε-Ga2O3 SBPD的R和D*隨波長的變化曲線。插圖為器件的歸一化光譜響應(yīng)曲線。
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，響應(yīng)度為230 A/W。這一結(jié)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，表明該器件具實現(xiàn)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(shù)坐標中6 V偏壓下R和D*隨波長變化的曲線，插圖為制備的PD的歸一化響應(yīng)光譜?？梢钥闯鲰憫?yīng)光譜的截止波長為270 nm，器件表現(xiàn)出顯著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(yīng)曲線如圖3所示。提取光譜響應(yīng)曲線的峰值響應(yīng)度，作為V1/2的函數(shù)重新繪制在圖4中。由圖可知，R隨V1/2的增加而指數(shù)增加。該器件得到的高增益和大響應(yīng)度、外量子效率表明MSM ε-Ga2O3 SBPD中存在很高的內(nèi)部增益機制。
圖3.不同偏壓下，半對數(shù)坐標中MSM ε-Ga2O3 SBPD的光譜響應(yīng)曲線。
圖4. 響應(yīng)光譜的峰值響應(yīng)度作為V1/2的函數(shù)曲線。
MSM ε-Ga2O3 SBPD 的增益機制研究
圖5.（a）在不同條件下器件的I-V曲線。（b）MSM ε-Ga2O3 SBPD的能帶示意圖。（c）不同溫度下勢壘高度作為(Vbi-V)的函數(shù)。（d）被占據(jù)的缺陷態(tài)密度的Arrhenius圖。
圖6. MSM ε-Ga2O3 SBPD的I-V曲線對溫度的依賴關(guān)系。
圖7.光電流和響應(yīng)度隨溫度的變化曲線。
MSM ε-Ga2O3 SBPD 的時間響應(yīng)特性
圖8.（a）不同偏壓下，PD的I-T曲線。（b）Pλ=87 μW/cm2、V=6 V時I-T曲線放大的下降沿。
圖8（a）顯示了不同偏置電壓下光電特性隨時間的變化，器件對波長254nm的光照具有良好響應(yīng)、再現(xiàn)性和穩(wěn)定性，在重復(fù)開關(guān)光源時器件衰減速度很快。為了獲得更準確的恢復(fù)時間，將該瞬時響應(yīng)的衰減階段放大后繪制在圖8（b）中。MSM ε-Ga2O3 SBPD器件的衰減時間τd1和τd2分別為24和79 ms。這兩個值與之前報道的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(xiàn)了更為良好的綜合性能，其中包括基于MSM結(jié)構(gòu)實現(xiàn)的當前高的響應(yīng)度（230 A/W）和抑制比（R250 nm/R400 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間。
ε-Ga2O3 薄膜第一性原理計算研究
圖9.（a）ε-Ga2O3中三種不等價氧的能帶結(jié)構(gòu)圖。藍色和紅色的值分別表示禁帶寬度和價帶頂上部的氧空位引入的缺陷能級。（b）三種不等價氧，（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。
為了進一步研究ε-Ga2O3薄膜禁帶中的缺陷態(tài)，采用Vienna Ab initio和projector-augmented wave進行DFT計算。采用Armiento-Mattsson 2005（AM05）泛函中的廣義梯度近似來計算交換相關(guān)能。采用了基于GGA+U基態(tài)的shGGA-1/2方法計算電子結(jié)構(gòu)，結(jié)果得到禁帶寬度為4.49 eV。本文中計算了ε-Ga2O3中三個不等價氧的氧空位形成能，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）中可以觀察到，深能級缺陷狀態(tài)可以被氫鈍化，得到Ga2O3中的一個淺層施主。MSM ε-Ga2O3 SBPD快速的響應(yīng)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，將在ε-Ga2O3的帶隙中引入位于VBM上方的兩個缺陷能級。當Cl作為替位雜質(zhì)，缺陷移動到導(dǎo)帶底（CBM），但在價帶頂（VBM）附近仍然存在深能級缺陷態(tài)。圖11給出了ε-Ga2O3能帶圖。
中國科學技術(shù)大學龍世兵教授課題組簡介
課題組主要從事寬禁帶半導(dǎo)體氧化鎵材料的生長，器件開發(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(tǒng)的開發(fā)。主要期望通過優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)的設(shè)計，以及完善工藝開發(fā)，制備更高性能的功率器件和深紫外探測器件，實現(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，龍世兵教授主持國家自然科學基金、科技部（863、973、重大專項、重點研發(fā)計劃）、中科院等資助科研項目15項。在Adv. Mater., ACS Photonics，IEEE Electron Device Lett.等國際學術(shù)期刊和會議上發(fā)表論文100余篇，SCI他引6300余次，H指數(shù)44。獲得/申請 100余項，其中9項轉(zhuǎn)移給國內(nèi)大的集成電路制造企業(yè)中芯國際，74項授權(quán)/受理發(fā)明 許可給武漢新芯。
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。中國科學技術(shù)大學覃愿為作者，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(yīng)度標定系統(tǒng)”，如需了解該產(chǎn)品，歡迎咨詢我司。
DSR600 光電探測器光譜響應(yīng)度標定系統(tǒng)
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