基于超宽禁带氧化镓半导体的日盲探测器研究分享

寻求更宽的禁带宽度和更高的材料性能是化合物半导体材料发展的一个重要趋势。氧化镓（Ga2O3）半导体具有禁带宽度大（Eg~4.8 eV）、击穿场强高（Ebr~8 MV/cm）、Baliga品质因数高（εμEbr3~3444）、生长成本低（可熔融法生产单晶衬底）等突出优点，是用于下一代高压高功率器件（肖特基势垒二极管（SBD）、金属-氧化物-半导体场效应晶体管（MOSFET））和日盲紫外（波长200−280 nm）光电探测器的优选材料之一。高压高功率器件在整个电能供应链中具有显著的功率变换及节能作用，在工业控制、4C产业（计算机、通信、消费类电子、汽车电子）、新能源、轨道交通、智能电网等领域的应用也十分广泛。日盲紫外光电探测器同样具有广泛的应用价值，可用于紫外（UV）天文学、天际通信、火灾监控、汽车发动机监测、气象监测和环境污染监测等领域。目前国际上对超宽禁带氧化镓材料和器件领域的研究正处于起步阶段。

2、目前报道的氧化镓深紫外探测器主要是两端结构器件，而两端器件不能对沟道电流还有光电响应度提供任何的偏压控制。作为一种重要类型的探测器，光电晶体管多了一个栅极，可以灵活地控制沟道电流。此外，光电晶体管在在夹断状态通常有高的光-暗电流比，因此，如果能获得增强型MOSFET将会很有利，这将拓宽日盲光电晶体管的有效操作窗口。龙世兵课题组提出在通过MBE生长的硅掺杂同质β-Ga2O3薄膜上制备增强型日盲金属-氧化物-半导体场效应光电晶体管（MOSFEPT）。采用了栅槽刻蚀工艺实现增强型器件。由于晶体管存在巨大的内增益以及良好的晶体质量，该工作报道的氧化镓日盲探测器具备高的综合性能，3×103A/W的响应度，低至100/30ms的上升/下降时间，1.3×1016Jones的探测率，以及1.1×106的PDCR。(IEEE Electron Device Lett., 2019, 40(5), 742-745)

3、通过氯化物辅助MOCVD，调节生长过程中通入HCl的流量，我们在c面蓝宝石衬底上成功地生长出了高质量单晶ε-Ga2O3薄膜。通过优化器件结构，该课题组设计了叉指型的平面型肖特基二极管，器件表现出优异的光探测性能，可同时实现高响应度（84A/W）和快速响应（100ms）。氯化物辅助生长可钝化深能级缺陷，提高了载流子的迁移率和收集效率。(IEEE Electron Device Lett., 2019, 40(9), 1475-1478) 

4、针对上述ε-Ga2O3探测器的高响应度，该课题组制备了MSM结构的光探测器，通过研究电流传输机制以及原理计算，揭示了器件中的光电流增益机制。氧空位作为类受主缺陷，会捕获光生空穴，引起空穴积累，从而降低了金属/半导体接触势垒，导致光电流增益。(ACS Photonics, 2020, 7,3, 812-820)

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。

本研究应用了北京卓立汉光仪器有限公司SCS10-PEC光电化学电池量子效率测试系统如需了解该产品，欢迎咨询我司。