日盲光電探測器對波長在220-280 nm范圍內(nèi)的光敏感，在軍事和商業(yè)領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用，例如光學(xué)追蹤、光通信和成像。得益于*的材料和電學(xué)特性，包括良好的熱學(xué)和化學(xué)穩(wěn)定性、優(yōu)異的抗輻照性能以及直接對應(yīng)日盲區(qū)域的光探測波長，寬禁帶半導(dǎo)體材料具備更顯著的優(yōu)勢。在過去的幾年里，由于Ga₂O₃相關(guān)材料的優(yōu)異的抗輻照特性、良好的熱穩(wěn)定性以及4.7-5.3 eV直接對應(yīng)于日盲波段的超寬禁帶寬度，已經(jīng)引起了廣泛的關(guān)注。目前，幾乎所有關(guān)于Ga₂O₃ PDs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(jī)制尚未分析確定。因此，ε-Ga₂O₃的材料和光電特性有待進(jìn)一步研究。

本工作研究了基于通過MOCVD方法在藍(lán)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-Ga₂O₃ PDs展現(xiàn)出諸如230 A/W的響應(yīng)度和1.2×10⁵的抑制比（R_{250 nm}/R_{400 nm}）等優(yōu)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（1.2×10¹⁵ Jones）、恢復(fù)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(yùn)特性和密度泛函理論（DFT）解釋了MSM ε-Ga₂O₃ SBPD的增益機(jī)制。這些結(jié)果表明ε-Ga₂O₃具備在未來應(yīng)用于日盲光敏和成像領(lǐng)域的潛能。

MSM ε-Ga₂O₃ SBPD 電流輸運(yùn)機(jī)制研究

MSM ε-Ga₂O₃ SBPD的結(jié)構(gòu)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(huán)境下溫度依賴的電流-電壓（I-V-T）特性來探究電流輸運(yùn)機(jī)制，I-V-T曲線可以分為兩種狀態(tài)：一個是低電場狀態(tài)，電流隨偏壓呈指數(shù)增長；另一個是高電場狀態(tài)，電流對電壓的依賴關(guān)系不明顯。

圖1.（a）MSM ε-Ga₂O₃ SBPD的結(jié)構(gòu)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(shù)c(T)和1/T的關(guān)系曲線及其線性擬合。（f）MSM ε-Ga₂O₃ SBPD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(jī)制應(yīng)該是主要的暗電流輸運(yùn)機(jī)制。在大電場下的I-V特性表現(xiàn)出對偏壓的弱依賴關(guān)系，運(yùn)用Poole-Frenkel emission（PFE）模型可以解釋該情況下可能的電流輸運(yùn)機(jī)制。圖3（d）是ln(J/E)作為E^1/2的函數(shù)曲線，PFE是大電場下主導(dǎo)的電流輸運(yùn)機(jī)制。如圖1（e）中曲線的斜率可以得到，ε-Ga₂O₃缺陷和導(dǎo)帶之間的發(fā)射勢壘高度為0.67 eV。圖1（f）給出了制備的PDs的能帶結(jié)構(gòu)中的TFE和PFE機(jī)理的示意圖。

MSM ε-Ga₂O₃ SBPD 的光電響應(yīng)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(yīng)度為230 A/W。這一結(jié)果與高PDCR表明MSM ε-Ga₂O₃ SBPD具有高的效率和靈敏度。探測率為1.2×10¹⁵ Jones，表明該器件具實現(xiàn)高信噪比的能力。EQE為1.13×10⁵%。在不同光強(qiáng)下，上述指標(biāo)的變化趨勢如圖2（b）和（c）所示。圖2（d）為半對數(shù)坐標(biāo)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(yīng)光譜。可以看出響應(yīng)光譜的截止波長為270 nm，器件表現(xiàn)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-Ga₂O₃ SBPD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-Ga₂O₃ SBPD的光譜響應(yīng)曲線如圖3所示。提取光譜響應(yīng)曲線的峰值響應(yīng)度，作為V^1/2的函數(shù)重新繪制在圖4中。由圖可知，R隨V^1/2的增加而指數(shù)增加。該器件得到的高增益和大響應(yīng)度、外量子效率表明MSM ε-Ga₂O₃ SBPD中存在很高的內(nèi)部增益機(jī)制。

圖2.（a）在不同條件下半對數(shù)坐標(biāo)中器件的I-V特性。（b）光電流和PDCR，（c）R和D*對光強(qiáng)的依賴關(guān)系。（d）MSM ε-Ga₂O₃ SBPD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(yīng)曲線。

圖3.不同偏壓下，半對數(shù)坐標(biāo)中MSM ε-Ga₂O₃ SBPD的光譜響應(yīng)曲線。

圖4. 響應(yīng)光譜的峰值響應(yīng)度作為V^1/2的函數(shù)曲線。

MSM ε-Ga₂O₃ SBPD 的增益機(jī)制研究

圖5（a）為I-V特性曲線，表明深能級缺陷態(tài)的亞禁帶吸收對光電流的貢獻(xiàn)作用，但在高溫下陷阱態(tài)中束縛的電子發(fā)射會削弱亞禁帶吸收現(xiàn)象。結(jié)合電流輸運(yùn)機(jī)理，我們可以確定MSM ε-Ga₂O₃ SBPD的增益機(jī)制。如圖5（b）所示觀察可知響應(yīng)度和光強(qiáng)、偏壓、工作溫度、M-S界面的陷阱態(tài)以及暗電流密切相關(guān)。肖特基勢壘的降低可以從響應(yīng)度和外加電壓的關(guān)系中得到，如圖5（c）所示。被占據(jù)的陷阱態(tài)濃度N_ss。N_ss對溫度的依賴關(guān)系如圖5（d）所示，這種對溫度的依賴關(guān)系是因為在更高的溫度下更多的電子在陷阱態(tài)和導(dǎo)帶底之間發(fā)射。因此，受主型陷阱態(tài)捕獲光生空穴的可能性可以被降到最低，這將導(dǎo)致肖特基勢壘降低效應(yīng)和MSM PD的增益被抑制。這一機(jī)制也可被圖6、圖7中不同溫度下的光電流和光響應(yīng)的變化曲線證實。觀察可知，光電流和響應(yīng)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-Ga₂O₃ SBPD的能帶示意圖。（c）不同溫度下勢壘高度作為(V_bi-V)的函數(shù)。（d）被占據(jù)的缺陷態(tài)密度的Arrhenius圖。

圖6. MSM ε-Ga₂O₃ SBPD的I-V曲線對溫度的依賴關(guān)系。

圖7.光電流和響應(yīng)度隨溫度的變化曲線。

MSM ε-Ga₂O₃ SBPD 的時間響應(yīng)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(yīng)、再現(xiàn)性和穩(wěn)定性，在重復(fù)開關(guān)光源時器件衰減速度很快。為了獲得更準(zhǔn)確的恢復(fù)時間，將該瞬時響應(yīng)的衰減階段放大后繪制在圖8（b）中。MSM ε-Ga₂O₃ SBPD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-Ga₂O₃ SBPD展現(xiàn)了更為良好的綜合性能，其中包括基于MSM結(jié)構(gòu)實現(xiàn)的當(dāng)前高的響應(yīng)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(jìn)一步研究ε-Ga₂O₃薄膜禁帶中的缺陷態(tài)，采用Vienna Ab initio和projector-augmented wave進(jìn)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(guān)能。采用了基于GGA+U基態(tài)的shGGA-1/2方法計算電子結(jié)構(gòu)，結(jié)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(tài)密度。圖9（b）表明氧空位的形成會在禁帶中央引入缺陷態(tài)，在這些缺陷態(tài)處電子被高度局域。ε-Ga₂O₃薄膜的陰極發(fā)光光譜證實了缺陷態(tài)的存在，如圖10所示。

此外，本文研究了氫和氯摻雜有關(guān)的缺陷態(tài)，在圖9（c）中可以觀察到，深能級缺陷狀態(tài)可以被氫鈍化，得到Ga₂O₃中的一個淺層施主。MSM ε-Ga₂O₃ SBPD快速的響應(yīng)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(zhì)時，將在ε-Ga₂O₃的帶隙中引入位于VBM上方的兩個缺陷能級。當(dāng)Cl作為替位雜質(zhì)，缺陷移動到導(dǎo)帶底（CBM），但在價帶頂（VBM）附近仍然存在深能級缺陷態(tài)。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(jié)構(gòu)圖。藍(lán)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(zhì)H和（d）間隙/替位雜質(zhì)Cl 引入的缺陷能級態(tài)密度。

圖10. ε-Ga₂O₃薄膜的陰極發(fā)光光譜。

圖11. ε-Ga₂O₃的能帶圖。

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)龍世兵教授課題組簡介

    課題組主要從事寬禁帶半導(dǎo)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(jié)構(gòu)的設(shè)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(xiàn)更高的擊穿電壓，更低的導(dǎo)通電阻，更高的響應(yīng)度和更快的響應(yīng)速度等。截止目前，龍世兵教授主持國家自然科學(xué)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(xué)術(shù)期刊和會議上發(fā)表論文100余篇，SCI他引6300余次，H指數(shù)44。

文章信息

這一成果以Metal−Semiconductor−Metal ε?Ga₂O₃ Solar-Blind Photodetectors with a Record-High Responsivity Rejection Ratio and Their Gain Mechanism”為題發(fā)表在ACS Photonics期刊上。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)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(yīng)度標(biāo)定系統(tǒng)，如需了解該產(chǎn)品，歡迎咨詢我司。

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