α-Ga2O3因其寬帶隙以及卓*化學和物理特性,，在光探測器領(lǐng)域受到了越來越多的關(guān)注。作者通過經(jīng)濟實惠且基于非真空的霧化學氣相沉積（Mist-CVD）技術(shù)，成功在藍寶石基底上沉積了硅摻雜α-Ga2O3單晶外延薄膜,。利用這種薄膜制備了一個性能出色的指狀金屬-半導體-金屬（MSM）光探測器。在254納米光照和20伏偏壓下,，該光探測器具有高亮暗電流比,、高響應(yīng)度、高探測度以及高外部量子效率,。這些結(jié)果表明,，硅摻雜α-Ga2O3薄膜在高性能光探測器應(yīng)用中具有巨大的潛力。

分享一篇來自山東大學馮華鈺老師的新研究成果,，本文以“High-performance solar-blind photodetector based on Si-doped α-Ga2O3 thin films grown by mist chemical vapor deposition”為題發(fā)表于期刊Journal of Alloys and Compounds,，希望能對您的科學研究或工業(yè)生產(chǎn)帶來一些靈感和啟發(fā)。

正文

由于平流層臭氧層的強吸收能力,，幾乎沒有低于280納米的太陽輻射光子到達地球表面,，這個波段被稱為日盲區(qū)。在這個波段工作的探測器對紫外線更敏感,，對可見光和紅外輻射響應(yīng)較少,。因此，它們被廣泛應(yīng)用于火災(zāi)預(yù)警,、導*預(yù)警,、生化檢測、安全通信等軍事和民用領(lǐng)域,。對于這些應(yīng)用,，日盲紫外線探測器需要具有高光響應(yīng)性和快速響應(yīng)速度。近年來,，為了開發(fā)深紫外日盲探測器,，人們探索了多種材料，包括AlGaN,、MgZnO,、金剛石、Ga2O3等,。氧化鎵是一種多形態(tài),、超寬帶隙半導體材料（4.6-5.3電子伏特）,，主要包括α、γ,、β,、ε、σ等,，它們具有不同的晶體結(jié)構(gòu)：剛玉結(jié)構(gòu),、尖晶石結(jié)構(gòu)、單斜晶體,、正交晶體和立方晶體系統(tǒng),。在這些不同的晶體相中，β-Ga2O3具有*穩(wěn)定的晶體結(jié)構(gòu),，可以通過多種工藝制備,。與β-Ga2O3相比，α-Ga2O3具有更高的帶隙寬度（約5.3電子伏特）,、更高的擊穿電場強度,、更優(yōu)*的物理和化學性質(zhì)，已成為一種有前途的寬帶隙半導體材料,。此外,，其光學吸收邊緣位于深紫外光譜區(qū)域（200-280納米），其帶隙無需通過復雜和不可控的合金化過程進行調(diào)整,，使其成為日盲探測的優(yōu)秀候選材料,。

在過去幾年中，許多研究報告了利用α-Ga2O3的日盲光探測器,，這些探測器通常表現(xiàn)出低暗電流和高響應(yīng)性,。然而，α-Ga2O3光探測器的性能并不完*,，摻雜是提高光電性能的有效方法,。Si作為摻雜劑在導電α-Ga2O3的生長中具有潛在應(yīng)用，顯示出更高的電導率和更低的調(diào)控載流子濃度,，可以提高其電導率,。不幸的是，由于難以獲得體材料,，α-Ga2O3通常通過異質(zhì)外延獲得,，例如分子束外延、原子層沉積,、金屬有機化學氣相沉積,、氫化物氣相外延等。與上述方法相比,，霧化學氣相沉積（Mist-CVD）作為一種簡單,、安全、經(jīng)濟,、低能耗的生長技術(shù),，在氧化物半導體薄膜的生產(chǎn)中具有很大的優(yōu)勢。此外,，具有剛玉結(jié)構(gòu)的α-Ga2O3作為α-Ga2O3異質(zhì)外延基底的高適應(yīng)性使其能夠在廉價的藍寶石基底上進行大規(guī)模異質(zhì)外延,。

在這項工作中，作者通過霧化學氣相沉積在藍寶石上沉積了α-Ga2O3薄膜,，并用氯代（3-氰丙基）二甲基硅烷[ClSi(CH3)2((CH2)2CN)]摻雜,。通過在硅摻雜的α-Ga2O3薄膜上蒸發(fā)指狀Ti/Au電極，通過電子束蒸發(fā)制備了MSM光探測器,。該設(shè)備表現(xiàn)出色,。由于其出色的光電性能和低生產(chǎn)成本，硅摻雜的α-Ga2O3薄膜在下一代光電領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景,。

研究結(jié)果與討論

圖1(a)展示了在黑暗中用不同比例Si/Ga原子的硅摻雜α-Ga2O3薄膜制備的MSM光電探測器的電流-電壓（I-V）特性,。在20V下，所有光電探測器都顯示出低暗電流,。在Si-Ga原子比例較低時,，暗電流（Idark）隨Si含量增加而變化不大。當Si-Ga原子比例較高（4%）時,，暗電流增加了近一個數(shù)量級,，這主要與Si作為有效電子供體的數(shù)量有關(guān)。在254納米紫外光下,，所有設(shè)備的光電流（Ilight）比相應(yīng)的暗電流大幾個數(shù)量級,，如圖1(b)所示。圖1(c)-1(f)顯示了所有MSM光電探測器在黑暗條件和254納米紫外輻照下的對數(shù)I-V曲線,，顯示出明顯的光響應(yīng),。硅摻雜α-Ga2O3光電探測器在254納米下的光電響應(yīng)可以歸因于Urbach尾態(tài)吸收。

圖1. 在(a)黑暗和(b)254納米光照下,，不同溶液中Si-Ga原子比例的樣品顯示出線性I-V特性,。α-Ga2O3紫外探測器在黑暗和254納米光照下的I-V特性：(c) 0.3%，(d) 1%,，(e) 2%和(f) 4%硅摻雜α-Ga2O3,。

為了研究硅摻雜α-Ga2O3薄膜光電探測器的響應(yīng)速度，測量了不同器件在5V和20V偏壓下的瞬態(tài)響應(yīng),，如圖2(a)和2(b)所示,。在測量過程中，使用254納米和20μW/cm2紫外光作為光源,，并且每10秒重復開關(guān),。經(jīng)過幾次照明周期后,，器件仍然顯示出幾乎相同的響應(yīng)，表明光電探測器具有出色的可重復性和穩(wěn)定性,。通常,，光電探測器的響應(yīng)和衰減曲線表現(xiàn)出兩個不同的組成部分：快速響應(yīng)和慢速響應(yīng)?？焖夙憫?yīng)時間與光生載流子的產(chǎn)生和復合相關(guān),，這取決于電極之間的電子傳輸。慢速響應(yīng)時間與薄膜中缺陷捕獲和釋放載流子相關(guān),。

圖2. 在254納米和20微瓦/平方厘米光照射下,，不同溶液中Si-Ga原子比例的α-Ga2O3:Si光電探測器在偏壓(a) 5V和(b) 20V下的光響應(yīng)的時間變化特性。在5V偏壓下,，254納米,、20微瓦/平方厘米光照中單周期內(nèi)(c) 0.3%，(d) 1%,，(e) 2%和(f) 4%的瞬態(tài)響應(yīng)的放大,。

圖2(c)-2(f)顯示了所有樣品在開關(guān)周期內(nèi)瞬態(tài)響應(yīng)的相應(yīng)上升時間(τr1/τr2)和下降時間(τd1/τd2)。值得注意的是,，與其它低濃度樣品相比,，當溶液中Si/Ga原子比例為4%時，器件的上升和下降時間更快,。這與光生載流子被缺陷捕獲有關(guān),。由于α-Ga2O3薄膜與基底在異質(zhì)外延生長過程中的晶格失配，外延薄膜受到藍寶石基底的平面壓縮應(yīng)力的影響,，并且在界面處周期性地發(fā)生失配錯位,。這里，作者推測低摻雜濃度樣品中存在更多的陷阱和缺陷,，缺陷在薄膜中捕獲載流子,，導致載流子壽命延長和響應(yīng)時間增加，與之前的分析一致,。

圖3. MSM光電探測器載流子傳輸和能帶示意圖：(a) 低摻雜濃度在黑暗條件下,，(b) 高摻雜濃度在黑暗條件下，以及 (c) 紫外光條件下,。

圖3展示了硅摻雜α-Ga2O3薄膜光電探測器的工作機制,。根據(jù)之前的報告，摻雜方法不會導*極性光學聲子和雜質(zhì)的散射,，這些是影響遷移率的主要因素,。相反，Si4+替代Ga3+通過減少α-Ga2O3外延薄膜中的位錯和缺陷來提高晶體質(zhì)量，從而進一步增加載流子遷移率,。隨著Si4+摻雜濃度的增加,，載流子濃度增加，α-Ga2O3與金屬Ti/Au之間的勢壘高度降低（圖3(a)和3(b)）,。當紫外光照射時,，價帶中的電子獲得能量并躍遷到導帶成為導電電子，同時在價帶中留下導電空穴,，如圖3(c)所示。在相同的偏壓條件下,，高摻雜濃度的樣品可以表現(xiàn)出更大的光/暗電流比和更快的載流子遷移,。更快的遷移率使得缺陷捕獲載流子的可能性降低。另一方面,，與低摻雜濃度的樣品相比,，Si的摻雜濃度可以減少薄膜中的陷阱和缺陷數(shù)量，提高薄膜質(zhì)量,，降低載流子壽命,，并實現(xiàn)更快的光響應(yīng)。

圖4. α-Ga2O3光電探測器在不同Si/Ga原子比例下的光譜響應(yīng)度,。

圖4以及本研究中的光譜響應(yīng)度信號數(shù)據(jù)使用卓立漢光公司的DSR300微納器件光譜響應(yīng)度測試系統(tǒng)測試得到,。其功能全面，提供多種重要參數(shù)測試,。系統(tǒng)集成高精度光譜掃描,，光電流掃描以及光響應(yīng)速率測試。40μm探測光斑,，實現(xiàn)百微米級探測器的絕對光譜祥響應(yīng)度測量,，能滿足不同探測器測試功能的要求，是微納器件研究的優(yōu)選,。

總結(jié)和結(jié)論

作者通過簡單,、安全、經(jīng)濟,、低能耗的霧化學氣相沉積（Mist-CVD）技術(shù)制備了源自硅摻雜α-Ga2O3外延薄膜的日盲MSM光電探測器,。利用最佳硅摻雜α-Ga2O3薄膜（溶液中Si/Ga原子比例為4%）的光電探測器在20V偏壓和254納米光照下展現(xiàn)出卓*的整體性能，具有3.24×106的光暗電流比,、3.23×102 A/W的響應(yīng)度,、8.80×1015 Jones的探測度和1.58×105 %的外部量子效率。作者的工作表明,，利用無需真空,、成本可承受的Mist-CVD系統(tǒng)生長硅摻雜α-Ga2O3薄膜，是日盲深紫外探測應(yīng)用的一個有前景的方向。

山東大學馮華鈺老師簡介

馮華鈺,，副研究員,，碩士生導師。主要從事微納加工,、納米光學,、半導體材料和器件等方面的研究，以第一作者在Adv. Opt. Mater.（內(nèi)封面文章）, Nanoscale, APL, Opt. Express（編輯高亮文章）等雜志上發(fā)表多篇文章,；正在主持包括國家自然科學基金青年項目,、中國博士后科學基金特別資助等在內(nèi)的四項國家和省部級項目；多次在PIERS,、META等著名國際會議上做口頭報告,。

教育經(jīng)歷：

2012年9月-2017年5月，西班牙馬德里自治大學/馬德里微電子研究所/馬德里先進研究院,，凝聚態(tài)物理,，博士，導師：羅鋒 研究員/Alfonso Cebollada教授

2009年9月-2012年6月,，山東大學,，材料物理與化學，碩士,，導師：陶緒堂 教授

2005年9月-2009年6月,，山東大學，微電子學,，學士,；

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本研究采用的是北京卓立漢光儀器有限公司DSR300微納器件光譜響應(yīng)度測試系統(tǒng)，如需了解該產(chǎn)品,，歡迎咨詢,。

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