实现超高探测率和光-暗电流比的增强型β-Ga2O3 MOSFET日盲光电晶体管

由于可以广泛用于光学成像，空间光通信，导 弹制导和定位导航等领域，作为现代光电设备中关键组件的光电探测器（PD）近年来已引起越来越多的研究兴趣。目前，商用光电探测器主要基于Si光电二极管，是因为它的低成本和与高度成熟的硅工艺带来的高度兼容性。在280 nm以下的波长下工作的深紫外光电探测器（深紫外光PD）尚未十分成熟，它们是近年来在火焰探测，导 弹预警系统，机密空间通信，深紫外线成像机方面具有潜在应用的研究热点。能隙为4.7-4.9 eV的Ga2O3材料，由于其高辐射耐受性，高热稳定性和化学稳定性以及在深紫外区域的强吸收性，是未来有发展前景的深紫外光PD的候选项。

在本文中，中国科学技术大学龙世兵教授课题组提出一种在通过MBE生长的硅掺杂同质β-Ga2O3薄膜上的增强型日盲金属-氧化物-半导体场效应光电晶体管（MOSFEPT）的方案。钝化对于修改电子浓度，以抑 制和暗电流，是很重要的一步。由于β-Ga2O3薄膜具有高晶体质量和极低的暗电流，因此深紫外光光电晶体管在深紫外光光电探测方面表现出很好的性能，如3×103 A/W的响应度，低至100/30ms的上升/下降时间，1.3×1016 Jones的探测度，以及1.1×106 的PDCR。

增强型β-Ga2O3 MOSFET日盲光电探测器的制备及器件结构
 

图1(a) β-Ga2O3日盲光电晶体管的截面示意图。β-Ga2O3薄膜的表面形态通过原子力显微镜（AFM）显示，如图1(b)显示。

图1. (a)增强型β-Ga2O3 MOSFET剖面示意图，(b)掺杂β-Ga2O3薄膜的2D AFM 图像。

增强型β-Ga2O3 MOSFET日盲光电探测器的栅控光电响应特性

对数以及线性形式的β-Ga2O3 MOSFET 的传输特性曲线如图2(a)所示。漏-源电压控制在20V。这个晶体管处于常关状态，由线形图可推算出阈值电压为7V。增强型β-Ga2O3 MOSFET由栅槽工艺实现。晶体管开/关电流比约为108，阈下摆幅为250mV/dec，由此表明此制备的晶体管拥有很好的场效应晶体管特性。当此器件被254nm以下深紫外光光照射时，在关闭状态下，漏-源电流IDS电流增长了将近六个数量级。更宽的有效操作窗口被基于增强型的晶体管成功地实现。在能量范围为导带之下0.2-0.8eV时，SiO2/Ga2O3异质界面的界面态密度由曲线可计算得2.8×1011到5.0×1012cm²eV-1，这证明SiO2钝化能够有效抑 制β-Ga2O3沟道的表面陷阱态。图2为此器件的输出特性曲线，输入范围为4到12V，每步2V，通过线性及饱和区表明是一个典型晶体管的特性。在线性区，IDS随着输入电压迅速升高，证明了β-Ga2O3沟道很强的调制能力。
 

图2(c)为时变光电响应。此测试在VG=-5V夹断状态下执行，VDS变化范围为5V到20V，每步5V。IDS在打开光照时突然增加至稳定的饱和值，在关闭光照后突然下降。当VG被固定在-5V时，此光电晶体管暗电流低于1pA，并且随着VDS而增加。创新高的光-暗电流比为1.1×106，在VDS=20V时实现，这可归功于极低的暗电流以及此器件很强的在深紫外光光照下产生光激发载流子的能力。此器件展示出很快的响应速度，有很低的上升时间以及下降时间，正如图2(d)所示。并且通过拟合在VG和VDS分别固定于-5V和20V时的光电响应曲线，上升时间和下降时间可计算得分别为100ms和30ms。高响应速度或许是由于同质β-Ga2O3薄膜的高晶体质量和通过SiO2钝化对表面缺陷态的抑 制。

一些品质因数被用来评估探测器的性能，例如响应度（R）、探测率（D*）、外量子效率（EQE）、线性动态范围（LDR）等等。我们器件的探测率估算得1.3×1016 Jones，由于极低的暗电流，此结果在所有实现的探测器中为很高值。另一个探测器关键品质因数为线性动态范围(LDR)，为了实现高质量成像，对成像应用，对于传统CMOS成像传感器的暗电子数量全井容量的比例要求要高于60dB。我们光电晶体管LDR计算为142dB，说明我们的β-Ga2O3日盲光电晶体管对于高性能的日盲成像应用是很有前景的。

图2. (a)β-Ga2O3 MOSFEPT的半对数和线性传输特性曲线 (b) 不同电压下器件输出特性曲线 (c)器件光电特性随时间响应关系 (d)随时间的光响应特性曲线以及相关的拟合曲线。

增强型β-Ga2O3 MOSFET日盲光电探测器在不同光功率下的响应

探测器的光探测性能一般还取决于光功率。如图3(a-c)所示，在光电晶体管夹断状态下，光电流随着光功率而增加，因为有更多的电子被吸收以及在更高光功率下在β-Ga2O3沟道中有更多的光激发载流子产生。R，EQE和D*被发现在特定范围内随着光功率而增加，之后再更高的光功率之下减少，这可能是由于光吸收饱和。

图3(d)为在器件VG=-5V，VDS=20V下的归一化光谱响应。很明显，此器件展示出截止波长为~270nm的日盲光电探测。此器件在254nm时达到峰值响应度，当波长高于280nm时几乎没有光电响应。

图3. (a)不同光照功率下的器件传输特性曲线 (b) 响应度和外量子效率 (c) 探测率随光功率变化的曲线 (d)不同VG下测量的响应度。
 

中国科学技术大学龙世兵教授课题组简介
 

课题组主要从事宽禁带半导体氧化镓材料的生长，器件开发，包括电力电子器件以及紫外探测器件，功率器件模组以及成像系统的开发。主要期望通过优化器件结构的设计，以及完善工艺开发，制备更高性能的功率器件和深紫外探测器件，实现更高的击穿电压，更低的导通电阻，更高的响应度和更快的响应速度等。截止目前，龙世兵教授主持国家自然科学基金、科技部（863、973、重大专项、重 点研发计划）、中科院等资助科研项目15项。在Adv. Mater., ACS Photonics，IEEE Electron Device Lett.等国际学术期刊和会议上发表论文100余篇，SCI他引6300余次，H指数44。获得/申请 100余项，其中9项转移给国内大的集成电路制造企业中芯国际，74项授权/受理发明 许可给武汉新芯。