與單晶或多晶Ga₂O₃相比，非晶Ga₂O₃材料具有明顯的成本優(yōu)勢。本研究開發(fā)出了一種具有超高性能和柵極可調(diào)光檢測能力的非晶Ga₂O₃日盲場效應(yīng)光電晶體管，并對其光電性能進行了全面調(diào)研。射頻磁控濺射用于在經(jīng)濟的Si/SiO₂襯底上沉積非晶GaO_x薄膜。通過施加適當?shù)谋硸烹妷海?/font>V_G），可以很好地控制場效應(yīng)光電晶體管的光電性能和暗電流。制成的日盲型GaO_x薄膜場效應(yīng)光電晶體管具有出色的深紫外光光電探測特性，包括4.1×10³ AW^-1的超高光敏性，2.5 ×10¹³Jones的高探測率，以及*的外量子效率。在70 µW cm^-2的254 nm的弱光照下，外量子效率為2×10⁶％，光電導(dǎo)增益為1.6×10⁷ 。還揭示了光檢測特性取決于偏置電壓和光強度。另外，成功地展示了GaO_x光電晶體管作為感測像素的日盲成像功能。獲得了目標的清晰圖像，這是有關(guān)非晶GaO_x 探測器日盲成像的第一次報道。這些結(jié)果，加上其易于制造和低成本，使得該日盲非晶GaO_x薄膜場效應(yīng)光電晶體管有望用于下一代光電成像應(yīng)用。

柵極可調(diào)非晶Ga₂O₃薄膜光電晶體管器件結(jié)構(gòu)

柵極可調(diào)光檢測能力的非晶Ga₂O₃日盲場效應(yīng)光電晶體管如圖1所示。為了確定非晶GaO_x膜的特性，進行了X射線衍射（XRD），掃描電子顯微鏡（SEM）和原子力顯微鏡（AFM）測量，實驗表明，沉積的GaO_x膜具有平坦表面和高均勻性。

圖1.非晶態(tài)GaO_x薄膜場效應(yīng)光電晶體管的結(jié)構(gòu)示意圖和非晶態(tài)GaO_x薄膜的物理特性。(a)制成的GaO_x光電晶體管的橫截面圖像(b)濺射沉積的非晶態(tài)GaO_x薄膜的X射線衍射曲線，(c)截面掃描電子顯微鏡圖像，(d) 二維原子力顯微鏡圖像。

非晶Ga₂O₃薄膜光電晶體管的電光響應(yīng)特點

圖2(a)展示了濺射非晶GaO_x薄膜的O1s軌道能級的X射線光電光譜光譜（XPS）。根據(jù)高斯擬合分析法，O1s峰通常可以分為三個分量：O_?，O_??，和O_???。峰面積用于表征每種成分的強度，強度比經(jīng)計算為O_??/(O_?+O_??)=59.3％，這表明濺射非晶GaO_x膜中存在許多氧空位。為了進一步表征濺射非晶GaO_x膜的材料特性，一種具有Au(50nm)/Ti(20nm)GaO_x(200nm)/Ti(20nm)/Au夾心金屬-絕緣體金屬結(jié)構(gòu)的器件（50nm）被制造并且在黑暗中測量其電特性。使用空間電荷限制電流（SCLC）模型擬合I-V曲線，并計算非晶態(tài)GaO_x膜的缺陷密度和載流子遷移率。如圖2(b)所示，雙對數(shù)I-V曲線可分為三種狀態(tài)：1）歐姆區(qū)域，斜率為1；2）陷阱填充區(qū)域，斜率超過3；以及3）無陷阱區(qū)域，斜率為2。

圖2. 濺射非晶GaOx膜的X射線光電光譜光譜和基本電學(xué)特性。(a) XPS O1s核心級光譜，(b)黑暗環(huán)境下雙對數(shù)坐標的I-V曲線以及與空間電荷限制電流（SCLC）模型的擬合。插圖顯示了測試結(jié)構(gòu)的橫截面圖。

為了探索非晶GaO_x薄膜光電晶體管的光電特性，在254 nm 深紫外光光照射下進行了光電性能測量，如圖3所示。在測量過程中，重復(fù)打開和關(guān)閉深紫外光，器件在重復(fù)操作過程中顯示出出色的可重復(fù)性和穩(wěn)定性。上升時間τ_r和衰減時間τ_d分別為50秒和400秒以上。通過比較這些值，我們繪制了響應(yīng)度和EQE作為V_G的函數(shù)，如圖3(e)所示。顯然，當V_G從−40 V增加到20 V時，R和EQE減小，這表明了V_G對光電性能的出色調(diào)制能力，實際應(yīng)用中，關(guān)注的工作機制是GaO_x光電晶體管的耗盡區(qū)域。圖3(f)顯示在V_G=−30 V和V_DS = 2 V時該器件的歸一化光譜響應(yīng)。該器件在約240 nm處達到其峰值響應(yīng)度。截止波長為280nm。紫外線/可見光的拒絕比率（R₂₄₀/R₄₀₀）約為1×10² ，這表明光電探測器對日盲紫外線具有相對較高的光譜選擇性。

圖3. 非晶態(tài)GaO_x薄膜光電晶體管的電氣和光電特性。(a)不同V_DS下測得的I_DS-V_G傳輸特性。(b) 暗環(huán)境下，I_DS-V_DS的輸出特性 (c)在不同V_G下測得的I_DS-V_DS輸出特性。(d)隨時間變化的光響應(yīng)。(e)在不同的V_G下的響應(yīng)度（R）和外部量子效率（EQE）。(f)歸一化的光譜響應(yīng)度。插圖顯示了對數(shù)標度的響應(yīng)光譜。

除了柵極電壓以外，光響應(yīng)特性還受光強度的影響，如圖4（a）所示，光電流隨著光強度的增加而增加。此外，研究了不同光強度下隨時間變化的光響應(yīng)特性，圖4(b)，同時，在隨時間變化的光響應(yīng)曲線中，還發(fā)現(xiàn)光電流隨著光強度的降低而降低。如圖4(c)所示，隨著光強度從22 µW cm^-2增加到87 µW cm^-2的探測率，響應(yīng)度和EQE降低，與以前的報道相似。這種現(xiàn)象可能部分歸因于熱效應(yīng)引起的載流子散射，部分歸因于非晶GaO_x薄膜在高光強度下的吸收飽和。

圖4.光強度對光電性能的影響。(a)在不同光強度下I_DS-V_DS特性。(b)在不同光強度下器件隨時間變化的光響應(yīng)。(c)光電流和探測率為光強度的函數(shù)。(d)響應(yīng)度和EQE與光強度的關(guān)系。

基于非晶Ga₂O₃薄膜光電晶體管的成像驗證

為了驗證成像感測功能，使用非晶GaO_x薄膜光電晶體管作為感測像素，實現(xiàn)了投影到日盲成像系統(tǒng)上的光學(xué)圖案的識別。成像系統(tǒng)的示意圖如圖5(a)所示。GaO_x光電探測器被用作單點狀成像元件以檢測深紫外光光。由于所制造的非晶態(tài)GaO_x光電探測器的超高性能和出色的穩(wěn)定性，獲得了清晰的字母“CAS”圖像。圖5(d)紅色虛線的灰度值，表明通過將非晶GaO_x光電晶體管用作感測像素可以實現(xiàn)具有高保真度的清晰圖像。這些結(jié)果為制備用于實時成像的Ga₂O₃成像陣列鋪平了道路，并使Ga₂O₃ 深紫外光光電探測器成為將來有前景先進光電系統(tǒng)的組成部分。

 

圖5. 非晶態(tài)GaO_x薄膜光電晶體管的日盲UV成像。(a)使用基于非晶Ga₂O₃的光電晶體管作為感應(yīng)像素的日盲成像系統(tǒng)的示意圖。(b)在光罩上帶有字母“ CAS”的物體圖像。(c)從日盲成像系統(tǒng)獲得的圖像。(d)沿(c)中標記的線的灰度值。

結(jié)論

本研究中的非晶GaO_x薄膜光電晶體管的主要參數(shù)，例如響應(yīng)度，探測率，外量子效率和光電導(dǎo)增益，均比基于二維 β-Ga₂O₃納米片、Ga₂O₃納米帶、以及Ga₂O₃納米線和微米線探測器好得多。此外，非晶GaO_x光電晶體管還比基于薄膜Ga₂O₃的MSM PD表現(xiàn)出更好的性能。如此高的性能以及低成本和易于制造的工藝，使得非晶GaO_x薄膜光電晶體管在未來的光電系統(tǒng)中具有很大的潛力，可用于陣列光電探測器和成像器。

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“Amorphous Gallium Oxide-Based Gate-Tunable High-Performance Thin Film Phototransistor for Solar-Blind Imaging”為題發(fā)表在Advanced Electronic Materials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：Advanced Electronic Materials, 2019, 5, 1900389.

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