基于霧化學(xué)氣相沉積生長(zhǎng)的硅摻雜α-Ga2O3薄膜高性能日盲探測(cè)器
導(dǎo)言
α-Ga2O3因其寬帶隙以及卓越的化學(xué)和物理特性，在光探測(cè)器領(lǐng)域受到了越來(lái)越多的關(guān)注。作者通過(guò)經(jīng)濟(jì)實(shí)惠且基于非真空的霧化學(xué)氣相沉積（Mist-CVD）技術(shù)，成功在藍(lán)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(gè)性能出色的指狀金屬-半導(dǎo)體-金屬（MSM）光探測(cè)器。在254納米光照和20伏偏壓下，該光探測(cè)器具有高亮暗電流比、高響應(yīng)度、高探測(cè)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(cè)器應(yīng)用中具有巨大的潛力。
分享一篇來(lái)自山東大學(xué)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，原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2024.175593 希望能對(duì)您的科學(xué)研究或工業(yè)生產(chǎn)帶來(lái)一些靈感和啟發(fā)。
正文
由于平流層臭氧層的強(qiáng)吸收能力，幾乎沒(méi)有低于280納米的太陽(yáng)輻射光子到達(dá)地球表面，這個(gè)波段被稱為日盲區(qū)。在這個(gè)波段工作的探測(cè)器對(duì)紫外線更敏感，對(duì)可見(jiàn)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(dǎo)彈預(yù)警、生化檢測(cè)、安全通信等軍事和民用領(lǐng)域。對(duì)于這些應(yīng)用，日盲紫外線探測(cè)器需要具有高光響應(yīng)性和快速響應(yīng)速度。近年來(lái)，為了開(kāi)發(fā)深紫外日盲探測(cè)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(dǎo)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(guò)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(chǎng)強(qiáng)度、更優(yōu)越的物理和化學(xué)性質(zhì)，已成為一種有前途的寬帶隙半導(dǎo)體材料。此外，其光學(xué)吸收邊緣位于深紫外光譜區(qū)域（200-280納米），其帶隙無(wú)需通過(guò)復(fù)雜和不可控的合金化過(guò)程進(jìn)行調(diào)整，使其成為日盲探測(cè)的優(yōu)秀候選材料。
在過(guò)去幾年中，許多研究報(bào)告了利用α-Ga2O3的日盲光探測(cè)器，這些探測(cè)器通常表現(xiàn)出低暗電流和高響應(yīng)性。然而，α-Ga2O3光探測(cè)器的性能并不完美，摻雜是提高光電性能的有效方法。Si作為摻雜劑在導(dǎo)電α-Ga2O3的生長(zhǎng)中具有潛在應(yīng)用，顯示出更高的電導(dǎo)率和更低的調(diào)控載流子濃度，可以提高其電導(dǎo)率。不幸的是，由于難以獲得體材料，α-Ga2O3通常通過(guò)異質(zhì)外延獲得，例如分子束外延、原子層沉積、金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積、氫化物氣相外延等。與上述方法相比，霧化學(xué)氣相沉積（Mist-CVD）作為一種簡(jiǎn)單、安全、經(jīng)濟(jì)、低能耗的生長(zhǎng)技術(shù)，在氧化物半導(dǎo)體薄膜的生產(chǎn)中具有很大的優(yōu)勢(shì)。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(jià)的藍(lán)寶石基底上進(jìn)行大規(guī)模異質(zhì)外延。
在這項(xiàng)工作中，作者通過(guò)霧化學(xué)氣相沉積在藍(lán)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(guò)在硅摻雜的α-Ga2O3薄膜上蒸發(fā)指狀Ti/Au電極，通過(guò)電子束蒸發(fā)制備了MSM光探測(cè)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(cè)器的電流-電壓（I-V）特性。在20V下，所有光電探測(cè)器都顯示出低暗電流。在Si-Ga原子比例較低時(shí)，暗電流（Idark）隨Si含量增加而變化不大。當(dāng)Si-Ga原子比例較高（4%）時(shí)，暗電流增加了近一個(gè)數(shù)量級(jí)，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(gè)數(shù)量級(jí)，如圖1(b)所示。圖1(c)-1(f)顯示了所有MSM光電探測(cè)器在黑暗條件和254納米紫外輻照下的對(duì)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(cè)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(cè)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(cè)器的響應(yīng)速度，測(cè)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(cè)量過(guò)程中，使用254納米和20μW/cm²紫外光作為光源，并且每10秒重復(fù)開(kāi)關(guān)。經(jīng)過(guò)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(cè)器具有出色的可重復(fù)性和穩(wěn)定性。通常，光電探測(cè)器的響應(yīng)和衰減曲線表現(xiàn)出兩個(gè)不同的組成部分：快速響應(yīng)和慢速響應(yīng)?？焖夙憫?yīng)時(shí)間與光生載流子的產(chǎn)生和復(fù)合相關(guān)，這取決于電極之間的電子傳輸。慢速響應(yīng)時(shí)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(cè)器在偏壓(a) 5V和(b) 20V下的光響應(yīng)的時(shí)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(kāi)關(guān)周期內(nèi)瞬態(tài)響應(yīng)的相應(yīng)上升時(shí)間(τr1/τr2)和下降時(shí)間(τd1/τd2)。值得注意的是，與其它低濃度樣品相比，當(dāng)溶液中Si/Ga原子比例為4%時(shí)，器件的上升和下降時(shí)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(zhǎng)過(guò)程中的晶格失配，外延薄膜受到藍(lán)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(cuò)位。這里，作者推測(cè)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(dǎo)致載流子壽命延長(zhǎng)和響應(yīng)時(shí)間增加，與之前的分析一致。
圖3. MSM光電探測(cè)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(cè)器的工作機(jī)制。根據(jù)之前的報(bào)告，摻雜方法不會(huì)導(dǎo)致極性光學(xué)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(guò)減少α-Ga2O3外延薄膜中的位錯(cuò)和缺陷來(lái)提高晶體質(zhì)量，從而進(jìn)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(shì)壘高度降低（圖3(a)和3(b)）。當(dāng)紫外光照射時(shí)，價(jià)帶中的電子獲得能量并躍遷到導(dǎo)帶成為導(dǎo)電電子，同時(shí)在價(jià)帶中留下導(dǎo)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(shí)現(xiàn)更快的光響應(yīng)。
圖4. α-Ga2O3光電探測(cè)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(hào)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(cè)試系統(tǒng)測(cè)試得到。其功能全面，提供多種重要參數(shù)測(cè)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(cè)試。40μm探測(cè)光斑，實(shí)現(xiàn)百微米級(jí)探測(cè)器的絕對(duì)光譜祥響應(yīng)度測(cè)量，能滿足不同探測(cè)器測(cè)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(guò)簡(jiǎn)單、安全、經(jīng)濟(jì)、低能耗的霧化學(xué)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(cè)器。利用*佳硅摻雜α-Ga2O3薄膜（溶液中Si/Ga原子比例為4%）的光電探測(cè)器在20V偏壓和254納米光照下展現(xiàn)出卓越的整體性能，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(cè)度和1.58×105 %的外部量子效率。作者的工作表明，利用無(wú)需真空、成本可承受的Mist-CVD系統(tǒng)生長(zhǎng)硅摻雜α-Ga2O3薄膜，是日盲深紫外探測(cè)應(yīng)用的一個(gè)有前景的方向。
山東大學(xué)馮華鈺老師簡(jiǎn)介
馮華鈺，副研究員，碩士生導(dǎo)師。主要從事微納加工、納米光學(xué)、半導(dǎo)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(guó)家自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目、中國(guó)博士后科學(xué)基金特別資助等在內(nèi)的四項(xiàng)國(guó)家和省部級(jí)項(xiàng)目；多次在PIERS、META等著名國(guó)際會(huì)議上做口頭報(bào)告。
教育經(jīng)歷：
2012年9月-2017年5月，西班牙馬德里自治大學(xué)/馬德里微電子研究所/馬德里先進(jìn)研究院，凝聚態(tài)物理，博士，導(dǎo)師：羅鋒 研究員/Alfonso Cebollada教授
2009年9月-2012年6月，山東大學(xué)，材料物理與化學(xué)，碩士，導(dǎo)師：陶緒堂 教授
2005年9月-2009年6月，山東大學(xué)，微電子學(xué)，學(xué)士；
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