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高性能柵極可調(diào)非晶Ga2O3薄膜光電晶體管及其日盲成像

與單晶或多晶Ga2O3相比，非晶Ga2O3材料具有明顯的成本優(yōu)勢(shì)。本研究開發(fā)出了一種具有超高性能和柵極可調(diào)光檢測(cè)能力的非晶Ga2O3日盲場(chǎng)效應(yīng)光電晶體管，并對(duì)其光電性能進(jìn)行了全面調(diào)研。射頻磁控濺射用于在經(jīng)濟(jì)的Si/SiO2襯底上沉積非晶GaOx薄膜。通過施加適當(dāng)?shù)谋硸烹妷海╒G），可以很好地控制場(chǎng)效應(yīng)光電晶體管的光電性能和暗電流。制成的日盲型GaOx薄膜場(chǎng)效應(yīng)光電晶體管具有出色的深紫外光光電探測(cè)特性，包括4.1×103 AW-1的超高光敏性，2.5×1013 Jones的高探測(cè)率，以及極高的外量子效率。在70 µW cm-2的254 nm的弱光照下，外量子效率為2×106％，光電導(dǎo)增益為1.6×107。還揭示了光檢測(cè)特性取決于偏置電壓和光強(qiáng)度。另外，成功地展示了GaOx光電晶體管作為感測(cè)像素的日盲成像功能。獲得了目標(biāo)的清晰圖像，這是有關(guān)非晶GaOx 探測(cè)器日盲成像的始發(fā)報(bào)道。這些結(jié)果，加上其易于制造和低成本，使得該日盲非晶GaOx薄膜場(chǎng)效應(yīng)光電晶體管有望用于下一代光電成像應(yīng)用。

柵極可調(diào)非晶Ga2O3薄膜光電晶體管器件結(jié)構(gòu)
 

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


 

圖1.非晶態(tài)GaOx薄膜場(chǎng)效應(yīng)光電晶體管的結(jié)構(gòu)示意圖和非晶態(tài)GaOx薄膜的物理特性。(a)制成的GaOx光電晶體管的橫截面圖像(b)濺射沉積的非晶態(tài)GaOx薄膜的X射線衍射曲線，(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(yīng)特點(diǎn)

圖2(a)展示了濺射非晶GaOx薄膜的O1s軌道能級(jí)的X射線光電光譜光譜（XPS）。根據(jù)高斯擬合分析法，O1s峰通常可以分為三個(gè)分量：O?，O??，和O???。峰面積用于表征每種成分的強(qiáng)度，強(qiáng)度比經(jīng)計(jì)算為O??/(O?+O??)=59.3％，這表明濺射非晶GaOx膜中存在許多氧空位。為了進(jìn)一步表征濺射非晶GaOx膜的材料特性，一種具有Au(50nm)/Ti(20nm)GaOx(200nm)/Ti(20nm)/Au夾心金屬-絕緣體金屬結(jié)構(gòu)的器件（50nm）被制造并且在黑暗中測(cè)量其電特性。使用空間電荷限制電流（SCLC）模型擬合I-V曲線，并計(jì)算非晶態(tài)GaOx膜的缺陷密度和載流子遷移率。如圖2(b)所示，雙對(duì)數(shù)I-V曲線可分為三種狀態(tài)：1）歐姆區(qū)域，斜率為1；2）陷阱填充區(qū)域，斜率超過3；以及3）無陷阱區(qū)域，斜率為2。


圖2. 濺射非晶GaOx膜的X射線光電光譜光譜和基本電學(xué)特性。(a) XPS O1s核心級(jí)光譜，(b)黑暗環(huán)境下雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)的I-V曲線以及與空間電荷限制電流（SCLC）模型的擬合。插圖顯示了測(cè)試結(jié)構(gòu)的橫截面圖。
 

為了探索非晶GaOx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(cè)量，如圖3所示。在測(cè)量過程中，重復(fù)打開和關(guān)閉深紫外光，器件在重復(fù)操作過程中顯示出出色的可重復(fù)性和穩(wěn)定性。上升時(shí)間τr和衰減時(shí)間τd分別為50秒和400秒以上。通過比較這些值，我們繪制了響應(yīng)度和EQE作為VG的函數(shù)，如圖3(e)所示。顯然，當(dāng)VG從−40 V增加到20 V時(shí)，R和EQE減小，這表明了VG對(duì)光電性能的出色調(diào)制能力，實(shí)際應(yīng)用中，關(guān)注的工作機(jī)制是GaOx光電晶體管的耗盡區(qū)域。圖3(f)顯示在VG=−30 V和VDS = 2 V時(shí)該器件的歸一化光譜響應(yīng)。該器件在約240 nm處達(dá)到其峰值響應(yīng)度。截止波長(zhǎng)為280nm。紫外線/可見光的拒絕比率（R240/R400）約為1×102，這表明光電探測(cè)器對(duì)日盲紫外線具有相對(duì)較高的光譜選擇性。


圖3. 非晶態(tài)GaOx薄膜光電晶體管的電氣和光電特性。(a)不同VDS下測(cè)得的IDS-VG傳輸特性。(b) 暗環(huán)境下，IDS-VDS的輸出特性 (c)在不同VG下測(cè)得的IDS-VDS輸出特性。(d)隨時(shí)間變化的光響應(yīng)。(e)在不同的VG下的響應(yīng)度（R）和外部量子效率（EQE）。(f)歸一化的光譜響應(yīng)度。插圖顯示了對(duì)數(shù)標(biāo)度的響應(yīng)光譜。

 

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


圖4.光強(qiáng)度對(duì)光電性能的影響。(a)在不同光強(qiáng)度下IDS-VDS特性。(b)在不同光強(qiáng)度下器件隨時(shí)間變化的光響應(yīng)。(c)光電流和探測(cè)率為光強(qiáng)度的函數(shù)。(d)響應(yīng)度和EQE與光強(qiáng)度的關(guān)系。
 

基于非晶Ga2O3薄膜光電晶體管的成像驗(yàn)證
 

為了驗(yàn)證成像感測(cè)功能，使用非晶GaOx薄膜光電晶體管作為感測(cè)像素，實(shí)現(xiàn)了投影到日盲成像系統(tǒng)上的光學(xué)圖案的識(shí)別。成像系統(tǒng)的示意圖如圖5(a)所示。GaOx光電探測(cè)器被用作單點(diǎn)狀成像元件以檢測(cè)深紫外光光。由于所制造的非晶態(tài)GaOx光電探測(cè)器的超高性能和出色的穩(wěn)定性，獲得了清晰的字母“CAS”圖像。圖5(d)紅色虛線的灰度值，表明通過將非晶GaOx光電晶體管用作感測(cè)像素可以實(shí)現(xiàn)具有高保真度的清晰圖像。這些結(jié)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(cè)器成為將來有前景先進(jìn)光電系統(tǒng)的組成部分。


圖5. 非晶態(tài)GaOx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(yīng)像素的日盲成像系統(tǒng)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(tǒng)獲得的圖像。(d)沿(c)中標(biāo)記的線的灰度值。

結(jié)論

本研究中的非晶GaOx薄膜光電晶體管的主要參數(shù)，例如響應(yīng)度，探測(cè)率，外量子效率和光電導(dǎo)增益，均比基于二維 β-Ga2O3納米片、Ga2O3納米帶、以及Ga2O3納米線和微米線探測(cè)器好得多。此外，非晶GaOx光電晶體管還比基于薄膜Ga2O3的MSM PD表現(xiàn)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GaOx薄膜光電晶體管在未來的光電系統(tǒng)中具有很大的潛力，可用于陣列光電探測(cè)器和成像器。

 

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)的開發(fā)。主要期望通過優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，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(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“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(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：Advanced Electronic Materials, 2019, 5, 1900389.

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