由于可以廣泛用于光學成像，空間光通信、定位導航等領域，作為現代光電設備中關鍵組件的光電探測器（PD）近年來已引起越來越多的研究興趣。目前，商用光電探測器主要基于Si光電二極管，是因為它的低成本和與高度成熟的硅工藝帶來的高度兼容性。在280 nm以下的波長下工作的深紫外光電探測器（深紫外光PD）尚未十分成熟，它們是近年來在火焰探測，機密空間通信，深紫外線成像機方面具有潛在應用的研究熱點。能隙為4.7-4.9 eV的Ga₂O₃材料，由于其高輻射耐受性，高熱穩(wěn)定性和化學穩(wěn)定性以及在深紫外區(qū)域的強吸收性，是未來有發(fā)展前景的深紫外光PD的候選項。

在本文中，中國科學技術大學龍世兵教授課題組提出一種在通過MBE生長的硅摻雜同質β-Ga₂O₃薄膜上的增強型日盲金屬-氧化物-半導體場效應光電晶體管（MOSFEPT）的方案。鈍化對于修改電子濃度，以抑制和暗電流，是很重要的一步。由于β-Ga₂O₃薄膜具有高晶體質量和極低的暗電流，因此深紫外光光電晶體管在深紫外光光電探測方面表現出很好的性能，如A/W的響應度，低至100/30ms的上升/下降時間， Jones的探測度，以及的PDCR。

增強型β-Ga₂O₃ MOSFET日盲光電探測器的制備及器件結構

圖1(a) β-Ga₂O₃日盲光電晶體管的截面示意圖。β-Ga₂O₃薄膜的表面形態(tài)通過原子力顯微鏡（AFM）顯示，如圖1(b)顯示。

圖1. (a)增強型β-Ga₂O₃ MOSFET剖面示意圖，(b)摻雜β-Ga₂O₃薄膜的2D AFM 圖像。

增強型β-Ga₂O₃ MOSFET日盲光電探測器的柵控光電響應特性

對數以及線性形式的β-Ga₂O₃ MOSFET 的傳輸特性曲線如圖2(a)所示。漏-源電壓控制在20V。這個晶體管處于常關狀態(tài)，由線形圖可推算出閾值電壓為7V。增強型β-Ga₂O₃ MOSFET由柵槽工藝實現。晶體管開/關電流比約為，閾下擺幅為250mV/dec，由此表明此制備的晶體管擁有很好的場效應晶體管特性。當此器件被254nm以下深紫外光光照射時，在關閉狀態(tài)下，漏-源電流I_DS電流增長了將近六個數量級。更寬的有效操作窗口被基于增強型的晶體管成功地實現。在能量范圍為導帶之下0.2-0.8eV時，SiO₂/Ga₂O₃異質界面的界面態(tài)密度由曲線可計算得到 cm²eV^-1，這證明SiO₂鈍化能夠有效抑制β-Ga₂O₃溝道的表面陷阱態(tài)。圖2為此器件的輸出特性曲線，輸入范圍為4到12V，每步2V，通過線性及飽和區(qū)表明是一個典型晶體管的特性。在線性區(qū)，I_DS隨著輸入電壓迅速升高，證明了β-Ga₂O₃溝道很強的調制能力。

圖2(c)為時變光電響應。此測試在V_G=-5V夾斷狀態(tài)下執(zhí)行，V_DS變化范圍為5V到20V，每步5V。I_DS在打開光照時突然增加至穩(wěn)定的飽和值，在關閉光照后突然下降。當V_G被固定在-5V時，此光電晶體管暗電流低于1pA，并且隨著V_DS而增加。創(chuàng)新高的光-暗電流比為，在V_DS=20V時實現，這可歸功于極低的暗電流以及此器件很強的在深紫外光光照下產生光激發(fā)載流子的能力。此器件展示出很快的響應速度，有很低的上升時間以及下降時間，正如圖2(d)所示。并且通過擬合在V_G和V_DS分別固定于-5V和20V時的光電響應曲線，上升時間和下降時間可計算得分別為100ms和30ms。高響應速度或許是由于同質β-Ga₂O₃薄膜的高晶體質量和通過SiO₂鈍化對表面缺陷態(tài)的抑制。

一些品質因數被用來評估探測器的性能，例如響應度（R）、探測率（D*）、外量子效率（EQE）、線性動態(tài)范圍（LDR）等等。我們器件的探測率估算得 Jones，由于極低的暗電流，此結果在所有實現的探測器中為很高值。另一個探測器關鍵品質因數為線性動態(tài)范圍(LDR)，為了實現高質量成像，對成像應用，對于傳統(tǒng)CMOS成像傳感器的暗電子數量全井容量的比例要求要高于60dB。我們光電晶體管LDR計算為142dB，說明我們的β-Ga₂O₃日盲光電晶體管對于高性能的日盲成像應用是很有前景的。

圖2. (a)β-Ga₂O₃ MOSFEPT的半對數和線性傳輸特性曲線 (b) 不同電壓下器件輸出特性曲線 (c)器件光電特性隨時間響應關系 (d)隨時間的光響應特性曲線以及相關的擬合曲線。

增強型β-Ga₂O₃ MOSFET日盲光電探測器在不同光功率下的響應

探測器的光探測性能一般還取決于光功率。如圖3(a-c)所示，在光電晶體管夾斷狀態(tài)下，光電流隨著光功率而增加，因為有更多的電子被吸收以及在更高光功率下在β-Ga₂O₃溝道中有更多的光激發(fā)載流子產生。R，EQE和D*被發(fā)現在特定范圍內隨著光功率而增加，之后再更高的光功率之下減少，這可能是由于光吸收飽和。

圖3(d)為在器件V_G=-5V，V_DS=20V下的歸一化光譜響應。很明顯，此器件展示出截止波長為~270nm的日盲光電探測。此器件在254nm時達到最大響應度，當波長高于280nm時幾乎沒有光電響應。

圖3. (a)不同光照功率下的器件傳輸特性曲線 (b) 響應度和外量子效率 (c) 探測率隨光功率變化的曲線 (d)不同V_G下測量的響應度。

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(fā)，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(tǒng)的開發(fā)。主要期望通過優(yōu)化器件結構的設計，以及完善工藝開發(fā)，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(fā)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(fā)表論文100余篇，SCI他引6300余次，H指數44。

文章信息

這一成果以“Enhancement-Mode _-Ga2O3 Metal–Oxide–Semiconductor Field-Effect Solar-Blind Phototransistor With Ultrahigh Detectivity and Photo-to-Dark Current Ratio”為題發(fā)表在IEEE Electron Device Letters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：IEEE Electron Device Letters, 2019, 40(5), 742-745。 

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