近日，電子科學(xué)與技術(shù)學(xué)院楊偉鋒教授團(tuán)隊(duì)在第四代半導(dǎo)體氧化鎵（β-Ga2O3）外延生長(zhǎng)技術(shù)和日盲光電探測(cè)器制備方面取得重要進(jìn)展。相關(guān)研究成果在IEEE微電子器件制造領(lǐng)域的多個(gè)學(xué)術(shù)期刊(IEEE Transactions on Electron Devices、IEEE Sensor Journals、IEEE Photonics Technology Letters)上發(fā)表，這些研究成果為β-Ga2O3異質(zhì)外延薄膜的大面積生長(zhǎng)和高性能的器件應(yīng)用提供了重要支持。
圖1 氧化鎵材料MBE異質(zhì)外延生長(zhǎng)機(jī)理研究和材料表征分析圖。
(詳情請(qǐng)見(jiàn)IEEE Sensor Journals DOI 10.1109/JSEN.2024.3373252)
β-Ga2O3材料因其本征日盲光吸收(254 nm)，簡(jiǎn)單二元組成，帶隙可調(diào)，制備工藝簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)在日盲光電探測(cè)器領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注。在β-Ga2O3薄膜生長(zhǎng)方面，研究團(tuán)隊(duì)利用分子束外延技術(shù)（MBE）實(shí)現(xiàn)了高質(zhì)量、低缺陷密度的外延薄膜生長(zhǎng)。并通過(guò)改變反應(yīng)物前驅(qū)體和精密控制生長(zhǎng)參數(shù)，成功實(shí)現(xiàn)了β-Ga2O3外延薄膜的均勻生長(zhǎng)和優(yōu)良的晶體質(zhì)量，有力地推動(dòng)了β-Ga2O3薄膜的高質(zhì)量異質(zhì)外延的發(fā)展。同時(shí)，研究團(tuán)隊(duì)還通過(guò)對(duì)MBE外延生長(zhǎng)過(guò)程中的β-Ga2O3薄膜生長(zhǎng)機(jī)制進(jìn)行詳細(xì)探究，揭示了其成核、生長(zhǎng)的差異性，并建立了相對(duì)應(yīng)的外延生長(zhǎng)機(jī)理模型圖。研究成果如圖1所示。
圖2 CuCrO2/β-Ga2O3 p-n異質(zhì)結(jié)光電探測(cè)器結(jié)構(gòu)、性能和能帶示意圖。
(詳情請(qǐng)見(jiàn)IEEE Transactions on Electron Devices DOI 10.1109/TED.2024.3373382)
在β-Ga2O3日盲光電探測(cè)器制備方面，研究團(tuán)隊(duì)基于II型能帶結(jié)構(gòu)制備的CuCrO2/β-Ga2O3 p-n異質(zhì)結(jié)型的自供電日盲光電探測(cè)器具有6.5 pA的低暗電流、5.7×104的高光暗電流比、50 mA/W的高響應(yīng)度、3.7×1012 Jones的高探測(cè)率和24.6%的高外量子效率，優(yōu)于大多數(shù)報(bào)道的基于β-Ga2O3的異質(zhì)結(jié)光電探測(cè)器。研究成果如圖2所示。另外，研究團(tuán)隊(duì)在MBE異質(zhì)外延β-Ga2O3生長(zhǎng)機(jī)制的基礎(chǔ)上，結(jié)合半導(dǎo)體光電響應(yīng)原理，探究了異質(zhì)外延β-Ga2O3薄膜日盲光電探測(cè)器的性能指標(biāo)。研究團(tuán)隊(duì)利用臭氧作為前驅(qū)體所制備的金屬-半導(dǎo)體-金屬結(jié)構(gòu)日盲光電探測(cè)器表現(xiàn)出7.5 pA的暗電流、1.31×107的光暗電流比、1.31×1015 Jones的比檢測(cè)率和 53 A/W的光響應(yīng)度，表現(xiàn)出相當(dāng)優(yōu)異的對(duì)日盲紫外光的探測(cè)性能。同時(shí)針對(duì)外延薄膜光電探測(cè)器暗電流大的不足，研究團(tuán)隊(duì)在金半界面處引入了鈍化層改善器件性能：利用AlN/β-Ga2O3界面工程對(duì)金半界面處的載流子傳輸進(jìn)行調(diào)控，所制備的金屬-絕緣體-半導(dǎo)體-絕緣體-金屬（MISIM）結(jié)構(gòu)的日盲光電探測(cè)器實(shí)現(xiàn)了響應(yīng)度和響應(yīng)速度的同時(shí)優(yōu)化。具有 3 nm AlN 層的光電器件表現(xiàn)出482 A/W 的響應(yīng)度、2.48×1015 Jones 的比探測(cè)率和0.10 s 的快下降時(shí)間。研究成果如圖3所示。
圖3 氧化鎵MSM和MISIM日盲深紫外光電探測(cè)器光電探測(cè)性能和能帶圖。
(詳情請(qǐng)見(jiàn)IEEE Sensor Journals DOI 10.1109/JSEN.2024.3373252, IEEE Photonics Technology Letters 36, 593-596 (2024))
研究團(tuán)隊(duì)在β-Ga2O3材料和器件的研究進(jìn)展為超寬禁帶半導(dǎo)體在日盲深紫外探測(cè)器領(lǐng)域的應(yīng)用和發(fā)展提供了技術(shù)參考，推動(dòng)超寬禁帶半導(dǎo)體基光電子技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展，為構(gòu)建低噪聲、高光響應(yīng)的光電子器件開(kāi)拓了研究途徑。
三篇論文的第一署名單位均為廈門大學(xué)，第一作者分別是2021級(jí)博士生田成義和2021級(jí)碩士生張傳倫（并列第一）、2022級(jí)碩士生林嘉隆、2021級(jí)碩士生張傳倫，唯一通訊作者均為我院楊偉鋒教授。課題組研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、福建省“閩江學(xué)者”項(xiàng)目和廈門“雙百人才計(jì)劃”和福建省“*專百人計(jì)劃”項(xiàng)目的支持。
（來(lái)源：集微）