論文DOI：10.1109/LED.2022.3151476 本文充分發(fā)揮脈沖激光沉積技術(shù)具有的易獲得期望化學(xué)計(jì)量比、靶材種類限制小以及氧空位可控等優(yōu)點(diǎn)，成功制備了p型元素?fù)诫s氧化鎵Ga2O3-δ薄膜。我們通過(guò)優(yōu)化氧分壓在c-藍(lán)寶石基片上制備了(-201)晶向Mg摻雜的Ga2O3-δ薄膜；進(jìn)一步設(shè)計(jì)制備了頂柵結(jié)構(gòu)晶體管和異質(zhì)結(jié)，晶體管的轉(zhuǎn)移特性曲線和異質(zhì)結(jié)的整流特性等電學(xué)測(cè)試結(jié)果表明鎂摻雜氧化鎵薄膜的導(dǎo)電類型是p型。最終我們基于Mg:Ga2O3-δ薄膜制備了日盲紫外光電探測(cè)器，具有低暗電流(~0.19 pA)、高開關(guān)電流比（>104）、快的上升（τr1 = 0.035 s和τr2 = 0.241 s)和下降(τd1 = 0.022 s和τd2 = 0.238 s)響應(yīng)時(shí)間。凝聚態(tài)物質(zhì)(尤其是半導(dǎo)體材料體系)的光電耦合特性及其信息功能器件一直是研究熱點(diǎn)和科技前沿。作為第三代半導(dǎo)體的典型代表，氧化鎵有五種同分異構(gòu)體：α、β、γ、δ和ε。其中，β-Ga2O3穩(wěn)定性好，寬光學(xué)禁帶寬度，在紫外-可見-近紅外(UV-NIR)區(qū)域具有高透過(guò)率等特性。 因此，它可以廣泛應(yīng)用于高功率器件、紫外光電探測(cè)器、光致發(fā)光器件以及氣體傳感器等。特別地，β-Ga2O3具有約4.9 eV (253nm)的超寬光學(xué)帶隙，可以有效地屏蔽太陽(yáng)輻射和人造光源帶來(lái)的影響，非常適用于制備日盲紫外光電探測(cè)器。初步研究表明，可以通過(guò)摻雜N, Se, Zn, Mg等元素實(shí)現(xiàn)p型氧化鎵。其中，Mg由于具有較低的形成能和相對(duì)較淺的施主能級(jí)更容易形成p型氧化鎵。然而，由于自補(bǔ)償效應(yīng)很難獲得穩(wěn)定且導(dǎo)電性良好的p型Mg摻雜Ga2O3-δ。因此，人們對(duì)p型氧化鎵的制備及其在光電探測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用有待進(jìn)一步研究。基于以上研究背景，華東師范大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院胡志高教授課題組采用脈沖激光沉積技術(shù)，通過(guò)鎂摻雜成功制備了p型氧化鎵半導(dǎo)體薄膜。通過(guò)其晶體管的轉(zhuǎn)移特性曲線以及鎂摻雜氧化鎵/氧化鎵異質(zhì)結(jié)的整流特性，確定了鎂摻雜氧化鎵薄膜的p型導(dǎo)電類型特征。另外，基于該p型薄膜構(gòu)筑的日盲紫外光電探測(cè)器表現(xiàn)出良好的紫外探測(cè)性能。相關(guān)研究結(jié)果近期以“High Quality p-Type Mg-Doped β-Ga2O3-δ Films for Solar-Blind Photodetectors”為題發(fā)表在國(guó)際知名期刊IEEE Electron Device Letters上。首先，研究者使用脈沖激光沉積方法在c-藍(lán)寶石上生長(zhǎng)了鎂摻雜氧化鎵薄膜，在此基礎(chǔ)上制備了頂柵晶體管和p-n結(jié)，最后制備了兩端日盲光電探測(cè)器并研究了其光電探測(cè)性能。▲圖1 (a) 在氧分壓為PO = 10、20、30 和 40 mTorr下沉積的Mg摻雜Ga2O3-δ薄膜的XRD。在氧分壓為30mTorr下沉積的Mg摻雜Ga2O3-δ薄膜的(b) AFM圖像(5um×5um)和 (c) XPS譜。插圖：O/Ga和Mg濃度隨氧分壓的依賴關(guān)系。(d) Mg:Ga2O3-δ薄膜的透射率以及(αhν)2 vs hν（插圖）光譜。
研究者通過(guò)XRD，AFM，XPS和紫外透射光譜表征確定了薄膜的組份、表面形貌和禁帶寬度，如圖1所示。隨著氧分壓的增加，薄膜的晶粒尺寸變大。對(duì)于在10、20、30和40 mTorr氧分壓下制備的薄膜樣品，它們的氧鎵比分別為1.15、1.47、1.49和1.50，這意味著通過(guò)增加氧分壓可以減少薄膜中的氧空位。紫外-近紅外波段的透射譜表明在近紫外-可見-近紅外區(qū)域的透過(guò)率超過(guò)80%，吸收邊出現(xiàn)在約270 nm處。在PO = 30 mTorr 氧分壓下制備的Mg:Ga2O3-δ薄膜的光學(xué)帶隙約5.2 eV (238.5 nm)。表明該薄膜非常適合用作紫外光探測(cè)器敏感單元。研究者基于Mg:Ga2O3-δ薄膜制備了頂柵晶體管和鎂摻雜氧化鎵/氧化鎵p-n結(jié)，如圖2所示。晶體管的轉(zhuǎn)移特性曲線和異質(zhì)結(jié)的整流特性等電學(xué)測(cè)試結(jié)果表明鎂摻雜氧化鎵薄膜的導(dǎo)電類型是p型。▲圖2 (a) 基于β-Ga2O3-δ的FET的示意圖和 (b) 轉(zhuǎn)移特性曲線。(c) Mg摻雜/未摻雜β-Ga2O3-δ p-n結(jié)的示意圖和(d) I-V曲線。
▲圖3 基于Mg:Ga2O3-δ構(gòu)建的光電探測(cè)器 （a) 示意圖，(b) 暗電流和 (c) 光電流 (λ=254nm)及其I-t 曲線 (Vapp = 10 V)?；谖磽诫sGa2O3-δ的光電探測(cè)器（e）明暗電流 和（f）I-t 曲線。
隨著氧分壓的增加，光電探測(cè)器的明暗電流因氧空位的減少而降低。光響應(yīng)時(shí)間包括上升和下降響應(yīng)時(shí)間通過(guò)對(duì)比Mg摻雜和未摻雜Ga2O3-δ薄膜的I-t響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)Mg:Ga2O3-δ薄膜器件的響應(yīng)時(shí)間比未摻雜Ga2O3-δ薄膜器件要快，如圖3所示。▲圖4 基于Mg摻雜Ga2O3-δ薄膜 (PO = 30 mTorr) 的光電探測(cè)器的 (a) 響應(yīng)光譜，(b) 不同光功率密度輻照下的I-t。(c) 光電流強(qiáng)度和響應(yīng)度與光功率密度的依賴關(guān)系。(d) Mg摻雜Ga2O3-δ基日盲光電探測(cè)器在紫外光(254 nm, 0.7 mW/cm2)下的性能穩(wěn)定性。
研究者進(jìn)一步研究了Mg摻雜β-Ga2O3-δ基日盲光電探測(cè)器的光電響應(yīng)性能(圖4)。其響應(yīng)波長(zhǎng)范圍約為200-270 nm，該范圍與其光學(xué)帶隙一致。隨著入射光功率密度的增加，器件的光電流增加并趨向飽和。經(jīng)過(guò)1000次的循環(huán)后，其光電響應(yīng)沒有發(fā)生衰退現(xiàn)象，表明該器件具有很好的可靠性和穩(wěn)定性。研究者借助脈沖激光沉積技術(shù)在c-藍(lán)寶石襯底上制備了(-201)晶向的鎂摻雜氧化鎵薄膜?；阪V摻雜氧化鎵構(gòu)建的晶體管轉(zhuǎn)移曲線和鎂摻雜氧化鎵/氧化鎵p-n結(jié)結(jié)構(gòu)的電學(xué)測(cè)試結(jié)果證實(shí)了該半導(dǎo)體薄膜屬于p型導(dǎo)電類型。最后設(shè)計(jì)并制備了具有良好紫外光電響應(yīng)和性能穩(wěn)定性的日盲紫外光電探測(cè)器。本研究工作豐富了半導(dǎo)體物理及器件研究知識(shí)，有望對(duì)p型氧化鎵的制備及其紫外光電探測(cè)的應(yīng)用提供指導(dǎo)。本工作得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目以及上海市科委基礎(chǔ)研究重點(diǎn)項(xiàng)目等相關(guān)課題的資助。胡志高教授課題組依托納光電集成與先進(jìn)裝備教育部工程研究中心和上海市極化材料多功能磁光光譜公共技術(shù)服務(wù)平臺(tái)，以研究凝聚態(tài)物質(zhì)，特別是半導(dǎo)體光電功能材料及微納器件、新型二維半導(dǎo)體及電子器件以及研發(fā)極端條件下凝聚態(tài)光譜測(cè)試系統(tǒng)為主要目標(biāo)，為新功能、新概念的光電功能器件提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)支撐。近年來(lái)課題組在PRApplied、PRB、Small、Mater. Horiz.及APL等國(guó)際應(yīng)用物理與材料知名學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表SCI收錄論文100多篇，他引2000多次，相關(guān)成果曾獲上海市自然科學(xué)二等獎(jiǎng)。胡志高教授于2008年入選教育部“新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃”，2010年入選上海市“曙光學(xué)者計(jì)劃”，2010年獲聘上海高校特聘教授(東方學(xué)者)，2014年入選上海市“優(yōu)秀學(xué)術(shù)帶頭人計(jì)劃”以及2014年獲聘上海高校特聘教授(東方學(xué)者)跟蹤計(jì)劃等各類人才稱號(hào)。張金中，華東師范大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院副研究員，2020年入選上海市“浦江學(xué)者計(jì)劃”。主要研究方向是低維電子材料的制備、表征及其光電性能的研究。以第一/通訊作者身份已在Nat. Commun.、Phys. Rev. B及Adv. Electron. Mater.等期刊上發(fā)表研究論文20余篇。主持國(guó)家自然科學(xué)基金2項(xiàng)，上海市科委項(xiàng)目1項(xiàng)，參與國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等項(xiàng)目。http://spec-lab.ecnu.edu.cn/
