實現(xiàn)超高探測率和光-暗電流比的增強(qiáng)型β-Ga2O3 MOSFET日盲光電晶體管
由于可以廣泛用于光學(xué)成像，空間光通信，導(dǎo)彈制導(dǎo)和定位導(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，是因為它的低成本和與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，導(dǎo)彈預(yù)警系統(tǒng)，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。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。
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3×103 A/W的響應(yīng)度，低至100/30ms的上升/下降時間，1.3×1016 Jones的探測度，以及1.1×106 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由柵槽工藝實現(xiàn)。晶體管開/關(guān)電流比約為108，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，在關(guān)閉狀態(tài)下，漏-源電流IDS電流增長了將近六個數(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現(xiàn)。在能量范圍為導(dǎo)帶之下0.2-0.8eV時，SiO2/Ga2O3異質(zhì)界面的界面態(tài)密度由曲線可計算得2.8×1011到5.0×1012cm²
eV-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)表明是一個典型晶體管的特性。在線性區(qū)，IDS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)為時變光電響應(yīng)。此測試在VG=-5V夾斷狀態(tài)下執(zhí)行，VDS變化范圍為5V到20V，每步5V。IDS在打開光照時突然增加至穩(wěn)定的飽和值，在關(guān)閉光照后突然下降。當(dāng)VG被固定在-5V時，此光電晶體管暗電流低于1pA，并且隨著VDS而增加。創(chuàng)新高的光-暗電流比為1.1×106，在VDS=20V時實現(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，有很低的上升時間以及下降時間，正如圖2(d)所示。并且通過擬合在VG和VDS分別固定于-5V和20V時的光電響應(yīng)曲線，上升時間和下降時間可計算得分別為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）、線性動態(tài)范圍（LDR）等等。我們器件的探測率估算得1.3×1016 Jones，由于極低的暗電流，此結(jié)果在所有實現(xiàn)的探測器中為很高值。另一個探測器關(guān)鍵品質(zhì)因數(shù)為線性動態(tài)范圍(LDR)，為了實現(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)器件光電特性隨時間響應(yīng)關(guān)系 (d)隨時間的光響應(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，因為有更多的電子被吸收以及在更高光功率下在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VG=-5V，VDS=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時達(dá)到峰值響應(yīng)度，當(dāng)波長高于280nm時幾乎沒有光電響應(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VG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，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(xué)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(xué)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。
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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