高響應(yīng)抑制比的金屬-半導(dǎo)體-金屬ε-Ga2O3日盲光電探測器以及增益機(jī)制研究

日盲光電探測器對(duì)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(xué)追蹤、光通信和成像。得益于優(yōu)越的材料和電學(xué)特性，包括良好的熱學(xué)和化學(xué)穩(wěn)定性、優(yōu)異的抗輻照性能以及直接對(duì)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(duì)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(jī)制尚未分析確定。因此，ε-Ga₂O₃的材料和光電特性有待進(jìn)一步研究。

本工作研究了基于通過MOCVD方法在藍(lán)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（R_{250 nm}/R_{400 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(duì)極弱信號(hào)的探測能力。重要的是，本文基于電流輸運(yùn)特性和密度泛函理論（DFT）解釋了MSM ε-Ga₂O₃ SBPD的增益機(jī)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(yùn)機(jī)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)/E^1/2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(yùn)機(jī)制，I-V-T曲線可以分為兩種狀態(tài)：一個(gè)是低電場狀態(tài)，電流隨偏壓呈指數(shù)增長；另一個(gè)是高電場狀態(tài)，電流對(duì)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(jī)制應(yīng)該是主要的暗電流輸運(yùn)機(jī)制。在大電場下的I-V特性表現(xiàn)出對(duì)偏壓的弱依賴關(guān)系，運(yùn)用Poole-Frenkel emission（PFE）模型可以解釋該情況下可能的電流輸運(yùn)機(jī)制。圖3（d）是ln(J/E)作為E^1/2的函數(shù)曲線，PFE是大電場下主導(dǎo)的電流輸運(yùn)機(jī)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(jī)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(duì)數(shù)坐標(biāo)中器件的I-V特性。（b）光電流和PDCR，（c）R和D*對(duì)光強(qiáng)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(shí)現(xiàn)高信噪比的能力。EQE為1.13×10⁵%。在不同光強(qiáng)下，上述指標(biāo)的變化趨勢如圖2（b）和（c）所示。圖2（d）為半對(duì)數(shù)坐標(biāo)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(duì)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V^1/2的函數(shù)重新繪制在圖4中。由圖可知，R隨V^1/2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(jī)制。

圖3.不同偏壓下，半對(duì)數(shù)坐標(biāo)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V^1/2的函數(shù)曲線。

MSM ε-Ga₂O₃ SBPD 的增益機(jī)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(V_bi-V)的函數(shù)。（d）被占據(jù)的缺陷態(tài)密度的Arrhenius圖。
 

圖5（a）為I-V特性曲線，表明深能級(jí)缺陷態(tài)的亞禁帶吸收對(duì)光電流的貢獻(xiàn)作用，但在高溫下陷阱態(tài)中束縛的電子發(fā)射會(huì)削弱亞禁帶吸收現(xiàn)象。結(jié)合電流輸運(yùn)機(jī)理，我們可以確定MSM ε-Ga₂O₃ SBPD的增益機(jī)制。如圖5（b）所示觀察可知響應(yīng)度和光強(qiáng)、偏壓、工作溫度、M-S界面的陷阱態(tài)以及暗電流密切相關(guān)。肖特基勢壘的降低可以從響應(yīng)度和外加電壓的關(guān)系中得到，如圖5（c）所示。被占據(jù)的陷阱態(tài)濃度N_ss。N_ss對(duì)溫度的依賴關(guān)系如圖5（d）所示，這種對(duì)溫度的依賴關(guān)系是因?yàn)樵诟叩臏囟认赂嗟碾娮釉谙葳鍛B(tài)和導(dǎo)帶底之間發(fā)射。因此，受主型陷阱態(tài)捕獲光生空穴的可能性可以被降到最低，這將導(dǎo)致肖特基勢壘降低效應(yīng)和MSM PD的增益被抑制。這一機(jī)制也可被圖6、圖7中不同溫度下的光電流和光響應(yīng)的變化曲線證實(shí)。觀察可知，光電流和響應(yīng)度隨溫度的升高而降低，表明電流增益被抑制。

 

圖6. MSM ε-Ga₂O₃ SBPD的I-V曲線對(duì)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(shí)間響應(yīng)特性

圖8.（a）不同偏壓下，PD的I-T曲線。（b）P_λ=87 μW/cm²、V=6 V時(shí)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(shí)間的變化，器件對(duì)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(shí)器件衰減速度很快。為了獲得更準(zhǔn)確的恢復(fù)時(shí)間，將該瞬時(shí)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(shí)間τ_d1和τ_d2分別為24和79 ms。這兩個(gè)值與之前報(bào)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(shí)現(xiàn)的當(dāng)前高的響應(yīng)度（230 A/W）和抑制比（R_{250 nm}/R_{400 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(shí)間。

ε-Ga₂O₃ 薄膜第一性原理計(jì)算研究

 

圖9.（a）ε-Ga₂O₃中三種不等價(jià)氧的能帶結(jié)構(gòu)圖。藍(lán)色和紅色的值分別表示禁帶寬度和價(jià)帶頂上部的氧空位引入的缺陷能級(jí)。（b）三種不等價(jià)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(jí)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(jìn)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(jìn)行DFT計(jì)算。采用Armiento-Mattsson 2005（AM05）泛函中的廣義梯度近似來計(jì)算交換相關(guān)能。采用了基于GGA+U基態(tài)的shGGA-1/2方法計(jì)算電子結(jié)構(gòu)，結(jié)果得到禁帶寬度為4.49 eV。本文中計(jì)算了ε-Ga₂O₃中三個(gè)不等價(jià)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(huì)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(shí)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(jí)缺陷狀態(tài)可以被氫鈍化，得到Ga₂O₃中的一個(gè)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(jí)的鈍化。同樣地，如圖9（d）所示，Cl作為間隙雜質(zhì)時(shí)，將在ε-Ga₂O₃的帶隙中引入位于VBM上方的兩個(gè)缺陷能級(jí)。當(dāng)Cl作為替位雜質(zhì)，缺陷移動(dòng)到導(dǎo)帶底（CBM），但在價(jià)帶頂（VBM）附近仍然存在深能級(jí)缺陷態(tài)。圖11給出了ε-Ga₂O₃能帶圖。

 

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。獲得/申請(qǐng) 100余項(xiàng)，其中9項(xiàng)轉(zhuǎn)移給國內(nèi)大的集成電路制造企業(yè)中芯國際，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(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：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(biāo)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(biāo)定系統(tǒng)

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