由于可以廣泛用于光學(xué)成像,，空間光通信,、定位導(dǎo)航等領(lǐng)域，作為現(xiàn)代光電設(shè)備中關(guān)鍵組件的光電探測器（PD）近年來已引起越來越多的研究興趣,。目前,，商用光電探測器主要基于Si光電二極管，是因?yàn)樗牡统杀竞团c高度成熟的硅工藝帶來的高度兼容性,。在280 nm以下的波長下工作的深紫外光電探測器（深紫外光PD）尚未十分成熟,，它們是近年來在火焰探測，機(jī)密空間通信,，深紫外線成像機(jī)方面具有潛在應(yīng)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(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性以及在深紫外區(qū)域的強(qiáng)吸收性,，是未來有發(fā)展前景的深紫外光PD的候選項(xiàng)。

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MBE生長的硅摻雜同質(zhì)β-Ga₂O₃薄膜上的增強(qiáng)型日盲金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)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(xiàn)出很好的性能,，如A/W的響應(yīng)度,，低至100/30ms的上升/下降時(shí)間， Jones的探測度,，以及的PDCR,。

增強(qiáng)型β-Ga₂O₃ MOSFET日盲光電探測器的制備及器件結(jié)構(gòu)

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)通過原子力顯微鏡（AFM）顯示,，如圖1(b)顯示,。

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

增強(qiáng)型β-Ga₂O₃ MOSFET日盲光電探測器的柵控光電響應(yīng)特性

對數(shù)以及線性形式的β-Ga₂O₃ MOSFET 的傳輸特性曲線如圖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),，由線形圖可推算出閾值電壓為7V,。增強(qiáng)型β-Ga₂O₃ MOSFET由柵槽工藝實(shí)現(xiàn)。晶體管開/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效應(yīng)晶體管特性,。當(dāng)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電流增長了將近六個(gè)數(shù)量級,。更寬的有效操作窗口被基于增強(qiáng)型的晶體管成功地實(shí)現(xiàn)。在能量范圍為導(dǎo)帶之下0.2-0.8eV時(shí),，SiO₂/Ga₂O₃異質(zhì)界面的界面態(tài)密度由曲線可計(jì)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,，輸入范圍為4到12V,，每步2V，通過線性及飽和區(qū)表明是一個(gè)典型晶體管的特性,。在線性區(qū),，I_DS隨著輸入電壓迅速升高，證明了β-Ga₂O₃溝道很強(qiáng)的調(diào)制能力,。

圖2(c)為時(shí)變光電響應(yīng),。此測試在V_G=-5V夾斷狀態(tài)下執(zhí)行，V_DS變化范圍為5V到20V,，每步5V,。I_DS在打開光照時(shí)突然增加至穩(wěn)定的飽和值，在關(guān)閉光照后突然下降,。當(dāng)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(xiàn)，這可歸功于極低的暗電流以及此器件很強(qiáng)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(yīng)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,。并且通過擬合在V_G和V_DS分別固定于-5V和20V時(shí)的光電響應(yīng)曲線,，上升時(shí)間和下降時(shí)間可計(jì)算得分別為100ms和30ms。高響應(yīng)速度或許是由于同質(zhì)β-Ga₂O₃薄膜的高晶體質(zhì)量和通過SiO₂鈍化對表面缺陷態(tài)的抑制,。

一些品質(zhì)因數(shù)被用來評估探測器的性能,，例如響應(yīng)度（R）、探測率（D*）,、外量子效率（EQE）,、線性動(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(jié)果在所有實(shí)現(xiàn)的探測器中為很高值,。另一個(gè)探測器關(guān)鍵品質(zhì)因數(shù)為線性動(dòng)態(tài)范圍(LDR)，為了實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量成像,，對成像應(yīng)用，對于傳統(tǒng)CMOS成像傳感器的暗電子數(shù)量全井容量的比例要求要高于60dB,。我們光電晶體管LDR計(jì)算為142dB,，說明我們的β-Ga₂O₃日盲光電晶體管對于高性能的日盲成像應(yīng)用是很有前景的。

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

增強(qiáng)型β-Ga₂O₃ MOSFET日盲光電探測器在不同光功率下的響應(yīng)

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,，光電流隨著光功率而增加,，因?yàn)橛懈嗟碾娮颖晃找约霸诟吖夤β氏略?/span>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(xiàn)在特定范圍內(nèi)隨著光功率而增加,，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(yīng)。很明顯,，此器件展示出截止波長為~270nm的日盲光電探測,。此器件在254nm時(shí)達(dá)到最大響應(yīng)度，當(dāng)波長高于280nm時(shí)幾乎沒有光電響應(yīng),。

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

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)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(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,。

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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