近日，由中山大學(xué)裴艷麗教授研究團(tuán)隊(duì)在學(xué)術(shù)期刊 Semiconductor Science and Technology 發(fā)布了一篇名為 High performance solar-blind photodetectors based on MOCVD grown β-Ga₂O₃ with hydrogen plasma treatment（基于氫等離子體處理 MOCVD 生長(zhǎng)的 β-Ga₂O₃ 高性能日盲光電探測(cè)器）的文章。

1. 項(xiàng)目支持

該研究得到吉林省科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目（No. YDZJ202303CGZH022）、深圳市科技計(jì)劃項(xiàng)目（GJHZ202209131 42807014，No. 20231127114207001） 國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2024YFE0205300）和光電材料與技術(shù)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金（OEMT-2023-KF-05）的支持。

2. 背景

日盲紫外光電探測(cè)器在導(dǎo)彈預(yù)警、火焰探測(cè)、空間通信等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用前景。β-Ga₂O₃ 由于其超寬禁帶（4.9–5.2 eV）、高擊穿場(chǎng)強(qiáng)和優(yōu)異的抗輻照性能，成為理想的日盲紫外探測(cè)材料。金屬-半導(dǎo)體-金屬（MSM）型光電探測(cè)器因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于制造而被廣泛研究和應(yīng)用。該結(jié)構(gòu)具有光電導(dǎo)增益，可獲得高的探測(cè)靈敏度。然而，由于費(fèi)米能級(jí)釘扎效應(yīng)，高阻的 β-Ga₂O₃ 一般會(huì)與金屬之間形成肖特基接觸。雖然肖特基接觸有利于降低光電探測(cè)器的暗電流，但光生載流子的收集效率和增益電子的注入效率會(huì)下降，同時(shí)也會(huì)引起探測(cè)器的持續(xù)光電導(dǎo)效應(yīng)。而歐姆接觸可以提升光生載流子的收集效率和增益電子的注入效率，避免了肖特基勢(shì)壘引起的持續(xù)光電導(dǎo)，有望同時(shí)改善增益和響應(yīng)度。

3. 主要內(nèi)容

隨著對(duì)高效日盲紫外光探測(cè)器（SBPD）需求的不斷增長(zhǎng)，β-Ga₂O₃ 的優(yōu)異特性引起了廣泛關(guān)注。該研究基于 β-Ga₂O₃ 薄膜制備了具有金屬-半導(dǎo)體-金屬結(jié)構(gòu)的 SBPD。采用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積法在 c 面藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)出 (-201) 擇優(yōu)取向的 β-Ga₂O₃ 薄膜。通過(guò)等離子體處理，在接觸區(qū)域下方選擇性地將氫作為淺施主引入 β-Ga₂O₃ 表層，以增強(qiáng)歐姆接觸。制備出的探測(cè)器具有優(yōu)異的性能，包括在 238 nm 波長(zhǎng)下出色的響應(yīng)度（3.0×10⁴ A W⁻¹）、比探測(cè)率（1.2×10¹⁷ Jones）及外量子效率（1.5×10⁷%）。此外，還實(shí)現(xiàn)了更快的響應(yīng)速度。器件性能的提升歸因于氫等離子體處理后具有更快的載流子傳輸速度和更高的增益電子注入效率。結(jié)果表明，在金屬-半導(dǎo)體的接觸處進(jìn)行氫等離子體處理是一種實(shí)現(xiàn)高性能 β-Ga₂O₃ 日盲紫外光探測(cè)器的有效方法。

4. 創(chuàng)新點(diǎn)

● 首次系統(tǒng)地將氫等離子體選區(qū)處理技術(shù)應(yīng)用于 MOCVD 生長(zhǎng)的 β-Ga₂O₃ 薄膜，并成功用于制造高性能日盲光電探測(cè)器。

● 清晰地揭示了氫對(duì)薄膜導(dǎo)電性提升的物理機(jī)制，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了器件響應(yīng)度和響應(yīng)速度的提升。

5. 總結(jié)

制備了基于 β-Ga₂O₃ 薄膜的 MSM 結(jié)構(gòu)高性能 SBPD。通過(guò)在接觸區(qū)域下方采用選區(qū)氫等離子體處理，引入了淺能級(jí)施主，顯著改善了歐姆接觸性能。該方法促進(jìn)了載流子傳輸速度的提升和增益電子注入效率的提高，從而實(shí)現(xiàn)了更加優(yōu)異的器件性能。制備的光電探測(cè)器實(shí)現(xiàn)了 3.0 × 10⁴ A W⁻¹ 的高響應(yīng)度、1.2 × 10¹⁷  Jones 的比探測(cè)率、1.5 × 10⁷% 的量子效率以及更快的響應(yīng)速度。該研究表明選區(qū)氫等離子體處理在提升 β-Ga₂O₃ 基光探測(cè)器光電性能方面的有效性，為推動(dòng)高性能日盲紫外光探測(cè)技術(shù)的發(fā)展提供了有效指導(dǎo)。

圖1. (a)薄膜的2θ-ω掃描曲線，插圖為(-201)面的搖擺曲線；(b) SEM截面圖。(c)薄膜的光學(xué)帶隙，插圖為光學(xué)透過(guò)率譜；(d) 氫等離子體處理樣品的 SIMS 深度分布圖

圖2. 氫等離子體處理前的（a）表面形貌和（c）表面電勢(shì)；氫等離子體處理后（b）表面形貌和（d）表面電勢(shì)

DOI：

doi.org/10.1088/1361-6641/adc9dd

本文轉(zhuǎn)發(fā)自《亞洲氧化鎵聯(lián)盟》訂閱號(hào)