高響應抑制比的金屬-半導體-金屬ε-Ga2O3日盲光電探測器以及增益機制研究

　　日盲光電探測器對波長在220-280 nm范圍內的光敏感，在軍事和商業領域都有著廣泛的應用，例如光學追蹤、光通信和成像。得益于優越的材料和電學特性，包括良好的熱學和化學穩定性、優異的抗輻照性能以及直接對應日盲區域的光探測波長，寬禁帶半導體材料具備更顯著的優勢。在過去的幾年里，由于Ga₂O₃相關材料的優異的抗輻照特性、良好的熱穩定性以及4.7-5.3 eV直接對應于日盲波段的超寬禁帶寬度，已經引起了廣泛的關注。目前，幾乎所有關于Ga₂O₃PDs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，并且增益機制尚未分析確定。因此，ε-Ga₂O₃的材料和光電特性有待進一步研究。

　　本工作研究了基于通過MOCVD方法在藍寶石襯底上生長的ε-Ga₂O₃外延薄膜制備的高性能MSM SBPDs。該MSM ε-Ga₂O₃PDs展現出諸如230 A/W的響應度和1.2×10⁵的抑制比（R_{250 nm}/R_{400 nm}）等優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（1.2×10¹⁵Jones）、恢復速度快（24 ms），表明其具有很高的靈敏度和對極弱信號的探測能力。重要的是，本文基于電流輸運特性和密度泛函理論（DFT）解釋了MSM ε-Ga₂O₃SBPD的增益機制。這些結果表明ε-Ga₂O₃具備在未來應用于日盲光敏和成像領域的潛能。

　　MSM ε-Ga₂O₃SBPD 電流輸運機制研究

　　MSM ε-Ga₂O₃SBPD的結構示意圖如圖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）利用在黑暗環境下溫度依賴的電流-電壓（I-V-T）特性來探究電流輸運機制，I-V-T曲線可以分為兩種狀態：一個是低電場狀態，電流隨偏壓呈指數增長；另一個是高電場狀態，電流對電壓的依賴關系不明顯。

　　圖1.（a）MSM ε-Ga₂O₃ SBPD的結構示意圖。（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c(T)和1/T的關系曲線及其線性擬合。（f）MSM ε-Ga₂O₃SBPD能帶圖中TFE和PFE的示意圖。

　　在圖1（c）中可以看出，在低偏壓下TFE機制應該是主要的暗電流輸運機制。在大電場下的I-V特性表現出對偏壓的弱依賴關系，運用Poole-Frenkel emission（PFE）模型可以解釋該情況下可能的電流輸運機制。圖3（d）是ln(J/E)作為E^1/2的函數曲線，PFE是大電場下主導的電流輸運機制。如圖1（e）中曲線的斜率可以得到，ε-Ga₂O₃缺陷和導帶之間的發射勢壘高度為0.67 eV。圖1（f）給出了制備的PDs的能帶結構中的TFE和PFE機理的示意圖。

　　MSM ε-Ga₂O₃SBPD 的光電響應特性

　　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，響應度為230 A/W。這一結果與高PDCR表明MSM ε-Ga₂O₃SBPD具有高的效率和靈敏度。探測率為1.2×10¹⁵Jones，表明該器件具實現高信噪比的能力。EQE為1.13×10⁵%。在不同光強下，上述指標的變化趨勢如圖2（b）和（c）所示。圖2（d）為半對數坐標中6 V偏壓下R和D*隨波長變化的曲線，插圖為制備的PD的歸一化響應光譜?？梢钥闯鲰憫庾V的截止波長為270 nm，器件表現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-Ga₂O₃SBPD對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-Ga₂O₃SBPD的光譜響應曲線如圖3所示。提取光譜響應曲線的峰值響應度，作為V^1/2的函數重新繪制在圖4中。由圖可知，R隨V^1/2的增加而指數增加。該器件得到的高增益和大響應度、外量子效率表明MSM ε-Ga₂O₃SBPD中存在很高的內部增益機制。

　　圖2.（a）在不同條件下半對數坐標中器件的I-V特性。（b）光電流和PDCR，（c）R和D*對光強的依賴關系。（d）MSM ε-Ga₂O₃SBPD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曲線。

　　圖3.不同偏壓下，半對數坐標中MSM ε-Ga₂O₃SBPD的光譜響應曲線。

　　圖4.響應光譜的峰值響應度作為V^1/2的函數曲線。

　　MSM ε-Ga₂O₃SBPD 的增益機制研究

　　圖5（a）為I-V特性曲線，表明深能級缺陷態的亞禁帶吸收對光電流的貢獻作用，但在高溫下陷阱態中束縛的電子發射會削弱亞禁帶吸收現象。結合電流輸運機理，我們可以確定MSM ε-Ga₂O₃SBPD的增益機制。如圖5（b）所示觀察可知響應度和光強、偏壓、工作溫度、M-S界面的陷阱態以及暗電流密切相關。肖特基勢壘的降低可以從響應度和外加電壓的關系中得到，如圖5（c）所示。被占據的陷阱態濃度N_ss。N_ss對溫度的依賴關系如圖5（d）所示，這種對溫度的依賴關系是因為在更高的溫度下更多的電子在陷阱態和導帶底之間發射。因此，受主型陷阱態捕獲光生空穴的可能性可以被降到最低，這將導致肖特基勢壘降低效應和MSM PD的增益被抑制。這一機制也可被圖6、圖7中不同溫度下的光電流和光響應的變化曲線證實。觀察可知，光電流和響應度隨溫度的升高而降低，表明電流增益被抑制。

　　圖5.（a）在不同條件下器件的I-V曲線。（b）MSM ε-Ga₂O₃SBPD的能帶示意圖。（c）不同溫度下勢壘高度作為(V_bi-V)的函數。（d）被占據的缺陷態密度的Arrhenius圖。

　　圖6.MSMε-Ga₂O₃SBPD的I-V曲線對溫度的依賴關系。

　　圖7.光電流和響應度隨溫度的變化曲線。

　　MSM ε-Ga₂O₃SBPD 的時間響應特性

　　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間的變化，器件對波長254nm的光照具有良好響應、再現性和穩定性，在重復開關光源時器件衰減速度很快。為了獲得更準確的恢復時間，將該瞬時響應的衰減階段放大后繪制在圖8（b）中。MSM ε-Ga₂O₃SBPD器件的衰減時間τ_d1和τ_d2分別為24和79 ms。這兩個值與之前報道的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-Ga₂O₃SBPD展現了更為良好的綜合性能，其中包括基于MSM結構實現的當前高的響應度（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間。

　　ε-Ga₂O₃薄膜第一性原理計算研究

　　為了進一步研究ε-Ga₂O₃薄膜禁帶中的缺陷態，采用Vienna Abinitio和projector-augmented wave進行DFT計算。采用Armiento-Mattsson 2005（AM05）泛函中的廣義梯度近似來計算交換相關能。采用了基于GGA+U基態的shGGA-1/2方法計算電子結構，結果得到禁帶寬度為4.49 eV。本文中計算了ε-Ga₂O₃中三個不等價氧的氧空位形成能，并在圖9（a）和（b）中分別繪制了帶氧空位的能帶圖和態密度。圖9（b）表明氧空位的形成會在禁帶中央引入缺陷態，在這些缺陷態處電子被高度局域。ε-Ga₂O₃薄膜的陰極發光光譜證實了缺陷態的存在，如圖10所示。

　　此外，本文研究了氫和氯摻雜有關的缺陷態，在圖9（c）中可以觀察到，深能級缺陷狀態可以被氫鈍化，得到Ga₂O₃中的一個淺層施主。MSM ε-Ga₂O₃SBPD快速的響應速度歸功于這些缺陷能級的鈍化。同樣地，如圖9（d）所示，Cl作為間隙雜質時，將在ε-Ga₂O₃的帶隙中引入位于VBM上方的兩個缺陷能級。當Cl作為替位雜質，缺陷移動到導帶底（CBM），但在價帶頂（VBM）附近仍然存在深能級缺陷態。圖11給出了ε-Ga₂O₃能帶圖。

　　圖9.（a）ε-Ga₂O₃中三種不等價氧的能帶結構圖。藍色和紅色的值分別表示禁帶寬度和價帶頂上部的氧空位引入的缺陷能級。（b）三種不等價氧，（c）間隙/替位雜質H和（d）間隙/替位雜質Cl 引入的缺陷能級態密度。

　　圖10.ε-Ga₂O₃薄膜的陰極發光光譜。

　　圖11.ε-Ga₂O₃的能帶圖。

　　中國科學技術大學龍世兵教授課題組簡介

　　課題組主要從事寬禁帶半導體氧化鎵材料的生長，器件開發，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的開發。主要期望通過優化器件結構的設計，以及完善工藝開發，制備更高性能的功率器件和深紫外探測器件，實現更高的擊穿電壓，更低的導通電阻，更高的響應度和更快的響應速度等。截止目前，龍世兵教授主持國家自然科學基金、科技部（863、973、重大專項、重點研發計劃）、中科院等資助科研項目15項。在Adv. Mater., ACS Photonics，IEEE Electron Device Lett.等國際學術期刊和會議上發表論文100余篇，SCI他引6300余次，H指數44。獲得/申請專利100余項，其中9項轉移給國內最大的集成電路制造企業中芯國際，74項授權/受理發明專利許可給武漢新芯。

　　文章信息

　　這一成果以Metal?Semiconductor?Metal ε?Ga₂O₃Solar-Blind Photodetectorswith a Record-High Responsivity Rejection Ratio and Their GainMechanism”為題發表在ACS Photonics期刊上。中國科學技術大學覃愿為第一作者，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度標定系統，如需了解該產品，歡迎咨詢我司。

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