基于金属有机化学气相沉积的ε-Ga2O3薄膜的非对称肖特基结构超高性能日盲光电探测器

Ga2O3有着4.7-5.2eV的宽禁带，本质上适合日盲光电探测器。Ga2O3有五种同构异形体，单斜β-Ga2O3薄膜因其高温度稳定性已经有了大量的研究。其他相，特别是α-、γ-、δ-和ε-Ga2O3很少被研究。比来，由于ε-Ga2O3其有高度对称的六面体结构，有可能将氮化物和ε-Ga2O3结合起来，形成致力于光电应用的III-氧化物/III-氮化物异质结器件结构，因此而广受科研工作者关注。

在本文中，中国科学技术大学龙世兵课题组通过氯化物辅助MOCVD，成功地生长出了在c-平面蓝宝石衬底上的高质量单晶ε-Ga2O3薄膜。基于异质ε-Ga2O3薄膜上的，带有非对称肖特基电极的日盲光电探测器被构建。此器件表现出高性能日盲特性，5.7×104的高光-暗电流比（PDCR），4.2×1014Jones的高探测率和4.1×104%的外量子效率。同时实现了84 A/W的响应率，100 ms的快响应速度。

1.3.1 ε-Ga2O3日盲光电探测器结构

图1. 制备的ε-Ga2O3 SBPD的横截面示意图。ε-Ga2O3 外延膜的 (b)X射线衍射图和(c) 透过谱。
 

图1(a)展示了制备的ε-Ga2O3 SBPD的截面图。ε-Ga2O3异质外延层生长于蓝宝石上，通过MOCVD，HCl诱导的生长方式生长。扫描电子显微镜图像显示MOCVD生长的ε-Ga2O3薄膜的表面形态平整，图1(b)中ε-Ga2O3外延薄膜的X射线衍射（XRD）图像展示该薄膜为高晶体质量的纯相ε-Ga2O3。图1(c)为ε-Ga2O3薄膜UV-可见光学透射光谱。在低于280nm时，透过急剧下降，表明在此后波长有着很强的吸收能力，证实了该薄膜的日盲特性。
 

1.3.2 ε-Ga2O3日盲光电探测器性能

图2. 在暗环境和光照下的线性和半对数坐标下的I-V曲线。(b)在暗环境和光照条件下的半对数坐标的I-V曲线。 (c)光电流和光/暗电流比和(d)响应度和探测率随光强的变化关系。
 

图2(a)为ε-Ga2O3 SBPD在黑暗和在254 nm，强度为87 μW/cm²光照下半对数和线性I-V曲线。暗电流在电压-6V到+6V范围内保持在很低水平，该器件表现出很好的肖特基特性。利用传输线模型计算得Ti/Au接触的接触电阻率为4.32×10² Ω cm²。此外，ε-Ga2O3薄膜方块电阻为1.2×1012Ω/sq。因此，低开态电流可归因于高平面电阻和接触电阻。利用对J-V图线性拟合得φB为0.88 eV。

通常来说，光电响应特性依赖于光强。因此，在ε-Ga2O3 SBPD上研究了I-V曲线和光强的关系，如图2(b)所示。可以看到光电流随着光强而增加。

我们计算了一些关键的品质因数来评估制备的ε-Ga2O3 SBPD的性能，例如响应度（R），探测度（D*）和外量子率（EQE）。该器件在不同光照强度下的关键参数在V=6V时被提取，正如图2(c)和(d)所示。正如期待的那样，光电流随着光照强度而增大，因为在更高光功率光照下在ε-Ga2O3沟道中有更多的光子被吸收以及更多的光激发载流子产生。因此，PCDR、R和D*也会随着光照强度而增大，表明不会有ε-Ga2O3 SBPD的光或热引导退化。

1.3.3 不同光强及栅压对ε-Ga2O3日盲光电探测器性能的影响

图3. 该器件在不同偏压条件下的时间相应特性。(b)归一化下降沿过程。(c)该ε-Ga2O3 SBPD的反向I-V特性曲线。(d)该器件得到的响应度与衰减时间的关系
 

图3(a)为在不同电压下，光强为87μW/cm²的时光电流随时间变化的响应特性。光电流随着偏压而增大，因为光生载流子被电场加速，因此更多的光生载流子在更高偏压下被收集。为了获得精确的响应速度，放大的归一化时变光电流曲线画在图3(b)中，以展示下降过程。下降时间被定义为从90%下降至10%的时间，估算为100ms，与已报导的Ga2O3 探测器相比，这是一个很快的速度。快下降时间可归功于在通过MOCVD生长的ε-Ga2O3薄膜中，通过氢/氯对深能级陷阱的钝化，在此过程中HCl作为催化剂。

图3(c)为黑暗环境下制备的ε-Ga2O3 SBPD的反向I-V特性曲线，高击穿电压使得ε-Ga2O3薄膜有可能被用来制造高增益的光电二极管。在此工作中，在ε-Ga2O3 SBPD上实现了84A/W的响应度，和100ms的快响应速度。如图3(d)所示。