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高性能栅极可调非晶Ga2O3薄膜光电晶体管及其日盲成像
发布时间:2021-10-13浏览:91次

与单晶或多晶Ga2O3相比,非晶Ga2O3材料具有明显的成本优势。本研究开发出了一种具有超高性能和栅极可调光检测能力的非晶Ga2O3日盲场效应光电晶体管,并对其光电性能进行了全面调研。射频磁控溅射用于在经济的Si/SiO2衬底上沉积非晶GaOx薄膜。通过施加适当的背栅电压(VG),可以很好地控制场效应光电晶体管的光电性能和暗电流。制成的日盲型GaOx薄膜场效应光电晶体管具有出色的深紫外光光电探测特性,包括4.1×103 AW-1的超高光敏性,2.5 ×1013Jones的高探测率,以及极高的外量子效率。在70 µW cm-2254 nm的弱光照下,外量子效率为2×106%,光电导增益为1.6×10。还揭示了光检测特性取决于偏置电压和光强度。另外,成功地展示了GaOx光电晶体管作为感测像素的日盲成像功能。获得了目标的清晰图像,这是有关非晶GaOx 探测器日盲成像的第一次报。这些结果,加上其易于制造和低成本,使得该日盲非晶GaOx薄膜场效应光电晶体管有望用于下一代光电成像应用。

栅极可调非晶Ga2O3薄膜光电晶体管器件结构

栅极可调光检测能力的非晶Ga2O3日盲场效应光电晶体管如图1所示。为了确定非晶GaOx膜的特性,进行了X射线衍射(XRD),扫描电子显微镜(SEM)和原子力显微镜(AFM)测量,实验表明,沉积的GaOx膜具有平坦表面和高均匀性。

 

  

1.非晶态GaOx薄膜场效应光电晶体管的结构示意图和非晶态GaOx薄膜的物理特性。(a)制成的GaOx光电晶体管的横截面图像(b)溅射沉积的非晶态GaOx薄膜的X射线衍射曲线,(c)截面扫描电子显微镜图像,(d) 二维原子力显微镜图像。

 

非晶Ga2O3薄膜光电晶体管的电光响应特点

2(a)展示了溅射非晶GaOx薄膜的O1s轨道能级的X射线光电光谱光谱(XPS)。根据高斯拟合分析法,O1s峰通常可以分为三个分量:OІOІІ,和OІІІ峰面积用于表征每种成分的强度,强度比经计算为OІІ/(OІ+OІІ)=59.3%,这表明溅射非晶GaOx膜中存在许多氧空位。为了进一步表征溅射非晶GaOx膜的材料特性,一种具有Au(50nm)/Ti(20nm)GaOx(200nm)/Ti(20nm)/Au夹心金属-绝缘体金属结构的器件(50nm)被制造并且在黑暗中测量其电特性。使用空间电荷限制电流(SCLC)模型拟合I-V曲线,并计算非晶态GaOx膜的缺陷密度和载流子迁移率。如图2(b)所示,双对数I-V曲线可分为三种状态:1)欧姆区域,斜率为12)陷阱填充区域,斜率超过3;以及3)无陷阱区域,斜率为2

  

2. 溅射非晶GaOx膜的X射线光电光谱光谱和基本电学特性。(a) XPS O1s核心级光谱,(b)黑暗环境下双对数坐标I-V曲线以及与空间电荷限制电流(SCLC)模型的拟合。插图显示了测试结构的横截面图。

为了探索非晶GaOx薄膜光电晶体管的光电特性,在254 nm 深紫外光光照射下进行了光电性能测量如图3所示。在测量过程中,重复打开和关闭深紫外光器件在重复操作过程中显示出出色的可重复性和稳定性。上升时间τr和衰减时间τd分别为50秒和400秒以上。通过比较这些值,我们绘制了响应度和EQE作为VG的函数,如图3(e)所示。显然,当VG40 V增加到20 V时,REQE减小,这表明了VG对光电性能的出色调制能力,实际应用中,关注的工作机制是GaOx光电晶体管的耗尽区域。图3(f)显示在VG=30 VVDS = 2 V时该器件的归一化光谱响应。该器件在约240 nm处达到其峰值响应度。截止波长为280nm。紫外线/可见光的拒绝比率(R240/R400)约为1×10,这表明光电探测器对日盲紫外线具有相对较高的光谱选择性。

 

  

3. 非晶态GaOx薄膜光电晶体管的电气和光电特性。(a)不同VDS下测得的IDS-VG传输特性。(b) 暗环境下,IDS-VDS的输出特性 (c)在不同VG下测得的IDS-VDS输出特性。(d)随时间变化的光响应。(e)在不同的VG下的响应度(R)和外部量子效率(EQE)。(f)归一化光谱响应度。插图显示了对数标度的响应光谱。

 

除了栅极电压以外,光响应特性还受光强度的影响如图4a)所示,光电流随着光强度的增加而增加。此外,研究了不同光强度下随时间变化的光响应特性4(b),同时,在随时间变化的光响应曲线中,还发现光电流随着光强度的降低而降低。如图4(c)所示随着光强度从22 µW cm-2增加到87 µW cm-2的探测率,响应度和EQE降低,与以前的报道相似。这种现象可能部分归因于热效应引起的载流子散射,部分归因于非晶GaOx薄膜在高光强度下的吸收饱和。

 

  

4.光强度对光电性能的影响。(a)在不同光强度下IDS-VDS特性。(b)在不同光强度下器件随时间变化的光响应。(c)光电流和探测率为光强度的函数。(d)响应度和EQE与光强度的关系。

 

基于非晶Ga2O3薄膜光电晶体管的成像验证

为了验证成像感测功能,使用非晶GaOx薄膜光电晶体管作为感测像素,实现了投影到日盲成像系统上的光学图案的识别成像系统的示意图如图5(a)所示。GaOx光电探测器被用作单点状成像元件以检测深紫外光光。由于所制造的非晶态GaOx光电探测器的超高性能和出色的稳定性,获得了清晰的字母“CAS”图像。图5(d)红色虚线的灰度值表明通过将非晶GaOx光电晶体管用作感测像素可以实现具有高保真度的清晰图像。这些结果为制备用于实时成像的Ga2O3成像阵列铺平了道路,并使Ga2O3 深紫外光光电探测器成为将来有前景先进光电系统的组成部分。

 

 

5. 非晶态GaOx薄膜光电晶体管的日盲UV成像。(a)使用基于非晶Ga2O3的光电晶体管作为感应像素的日盲成像系统的示意图。(b)在光罩上带有字母“ CAS”的物体图像。(c)从日盲成像系统获得的图像。(d)沿(c)中标记的线的灰度值。

结论

本研究中的非晶GaOx薄膜光电晶体管的主要参数,例如响应度,探测率,外量子效率和光电导增益,均比基于二维 β-Ga2O3纳米片、Ga2O3纳米带、以及Ga2O3纳米线和微米线探测器好得多。此外,非晶GaOx光电晶体管还比基于薄膜Ga2O3MSM PD表现出更好的性能。如此高的性能以及低成本和易于制造的工艺,使得非晶GaOx薄膜光电晶体管在未来的光电系统中具有很大的潜力,可用于阵列光电探测器和成像器。

 

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(863973、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 PhotonicsIEEE 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

 

 

 

文章信息

这一成果以Amorphous Gallium Oxide-Based Gate-Tunable High-Performance Thin Film Phototransistor for Solar-Blind Imaging”为题发表在Advanced Electronic Materials, 中国科学技术大学覃愿为第一作者,龙世兵教授为通讯作者。

文章信息:Advanced Electronic Materials, 2019, 5, 1900389.

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