基于雾化学气相沉积生长的硅掺杂α-Ga2O3薄膜高性能日盲探测器

导言

α-Ga2O3因其宽带隙以及卓越的化学和物理特性，在光探测器领域受到了越来越多的关注。作者通过经济实惠且基于非真空的雾化学气相沉积（Mist-CVD）技术，成功在蓝宝石基底上沉积了硅掺杂α-Ga2O3单晶外延薄膜。利用这种薄膜制备了一个性能出色的指状金属-半导体-金属（MSM）光探测器。在254纳米光照和20伏偏压下，该光探测器具有高亮暗电流比、高响应度、高探测度以及高外部量子效率。这些结果表明，硅掺杂α-Ga2O3薄膜在高性能光探测器应用中具有巨大的潜力。

分享一篇来自山东大学冯华钰老师的新研究成果，本文以“High-performance solar-blind photodetector based on Si-doped α-Ga2O3 thin films grown by mist chemical vapor deposition”为题发表于期刊Journal of Alloys and Compounds，原文链接：https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2024.175593 希望能对您的科学研究或工业生产带来一些灵感和启发。

正文

由于平流层臭氧层的强吸收能力，几乎没有低于280纳米的太阳辐射光子到达地球表面，这个波段被称为日盲区。在这个波段工作的探测器对紫外线更敏感，对可见光和红外辐射响应较少。因此，它们被广泛应用于火灾预警、导弹预警、生化检测、安全通信等军事和民用领域。对于这些应用，日盲紫外线探测器需要具有高光响应性和快速响应速度。近年来，为了开发深紫外日盲探测器，人们探索了多种材料，包括AlGaN、MgZnO、金刚石、Ga2O3等。氧化镓是一种多形态、超宽带隙半导体材料（4.6-5.3电子伏特），主要包括α、γ、β、ε、σ等，它们具有不同的晶体结构：刚玉结构、尖晶石结构、单斜晶体、正交晶体和立方晶体系统。在这些不同的晶体相中，β-Ga2O3具有*稳定的晶体结构，可以通过多种工艺制备。与β-Ga2O3相比，α-Ga2O3具有更高的带隙宽度（约5.3电子伏特）、更高的击穿电场强度、更优越的物理和化学性质，已成为一种有前途的宽带隙半导体材料。此外，其光学吸收边缘位于深紫外光谱区域（200-280纳米），其带隙无需通过复杂和不可控的合金化过程进行调整，使其成为日盲探测的优秀候选材料。

在过去几年中，许多研究报告了利用α-Ga2O3的日盲光探测器，这些探测器通常表现出低暗电流和高响应性。然而，α-Ga2O3光探测器的性能并不完美，掺杂是提高光电性能的有效方法。Si作为掺杂剂在导电α-Ga2O3的生长中具有潜在应用，显示出更高的电导率和更低的调控载流子浓度，可以提高其电导率。不幸的是，由于难以获得体材料，α-Ga2O3通常通过异质外延获得，例如分子束外延、原子层沉积、金属有机化学气相沉积、氢化物气相外延等。与上述方法相比，雾化学气相沉积（Mist-CVD）作为一种简单、安全、经济、低能耗的生长技术，在氧化物半导体薄膜的生产中具有很大的优势。此外，具有刚玉结构的α-Ga2O3作为α-Ga2O3异质外延基底的高适应性使其能够在廉价的蓝宝石基底上进行大规模异质外延。

在这项工作中，作者通过雾化学气相沉积在蓝宝石上沉积了α-Ga2O3薄膜，并用氯代（3-氰丙基）二甲基硅烷[ClSi(CH3)2((CH2)2CN)]掺杂。通过在硅掺杂的α-Ga2O3薄膜上蒸发指状Ti/Au电极，通过电子束蒸发制备了MSM光探测器。该设备表现出色。由于其出色的光电性能和低生产成本，硅掺杂的α-Ga2O3薄膜在下一代光电领域具有广阔的应用前景。
 

研究结果与讨论

图1(a)展示了在黑暗中用不同比例Si/Ga原子的硅掺杂α-Ga2O3薄膜制备的MSM光电探测器的电流-电压（I-V）特性。在20V下，所有光电探测器都显示出低暗电流。在Si-Ga原子比例较低时，暗电流（Idark）随Si含量增加而变化不大。当Si-Ga原子比例较高（4%）时，暗电流增加了近一个数量级，这主要与Si作为有效电子供体的数量有关。在254纳米紫外光下，所有设备的光电流（Ilight）比相应的暗电流大几个数量级，如图1(b)所示。图1(c)-1(f)显示了所有MSM光电探测器在黑暗条件和254纳米紫外辐照下的对数I-V曲线，显示出明显的光响应。硅掺杂α-Ga2O3光电探测器在254纳米下的光电响应可以归因于Urbach尾态吸收。
 

图1. 在(a)黑暗和(b)254纳米光照下，不同溶液中Si-Ga原子比例的样品显示出线性I-V特性。α-Ga2O3紫外探测器在黑暗和254纳米光照下的I-V特性：(c) 0.3%，(d) 1%，(e) 2%和(f) 4%硅掺杂α-Ga2O3。

为了研究硅掺杂α-Ga2O3薄膜光电探测器的响应速度，测量了不同器件在5V和20V偏压下的瞬态响应，如图2(a)和2(b)所示。在测量过程中，使用254纳米和20μW/cm²紫外光作为光源，并且每10秒重复开关。经过几次照明周期后，器件仍然显示出几乎相同的响应，表明光电探测器具有出色的可重复性和稳定性。通常，光电探测器的响应和衰减曲线表现出两个不同的组成部分：快速响应和慢速响应。快速响应时间与光生载流子的产生和复合相关，这取决于电极之间的电子传输。慢速响应时间与薄膜中缺陷捕获和释放载流子相关。
 

图2. 在254纳米和20微瓦/平方厘米光照射下，不同溶液中Si-Ga原子比例的α-Ga2O3:Si光电探测器在偏压(a) 5V和(b) 20V下的光响应的时间变化特性。在5V偏压下，254纳米、20微瓦/平方厘米光照中单周期内(c) 0.3%，(d) 1%，(e) 2%和(f) 4%的瞬态响应的放大。

图2(c)-2(f)显示了所有样品在开关周期内瞬态响应的相应上升时间(τr1/τr2)和下降时间(τd1/τd2)。值得注意的是，与其它低浓度样品相比，当溶液中Si/Ga原子比例为4%时，器件的上升和下降时间更快。这与光生载流子被缺陷捕获有关。由于α-Ga2O3薄膜与基底在异质外延生长过程中的晶格失配，外延薄膜受到蓝宝石基底的平面压缩应力的影响，并且在界面处周期性地发生失配错位。这里，作者推测低掺杂浓度样品中存在更多的陷阱和缺陷，缺陷在薄膜中捕获载流子，导致载流子寿命延长和响应时间增加，与之前的分析一致。

图3. MSM光电探测器载流子传输和能带示意图：(a) 低掺杂浓度在黑暗条件下，(b) 高掺杂浓度在黑暗条件下，以及 (c) 紫外光条件下。

图3展示了硅掺杂α-Ga2O3薄膜光电探测器的工作机制。根据之前的报告，掺杂方法不会导致极性光学声子和杂质的散射，这些是影响迁移率的主要因素。相反，Si4+替代Ga3+通过减少α-Ga2O3外延薄膜中的位错和缺陷来提高晶体质量，从而进一步增加载流子迁移率。随着Si4+掺杂浓度的增加，载流子浓度增加，α-Ga2O3与金属Ti/Au之间的势垒高度降低（图3(a)和3(b)）。当紫外光照射时，价带中的电子获得能量并跃迁到导带成为导电电子，同时在价带中留下导电空穴，如图3(c)所示。在相同的偏压条件下，高掺杂浓度的样品可以表现出更大的光/暗电流比和更快的载流子迁移。更快的迁移率使得缺陷捕获载流子的可能性降低。另一方面，与低掺杂浓度的样品相比，Si的掺杂浓度可以减少薄膜中的陷阱和缺陷数量，提高薄膜质量，降低载流子寿命，并实现更快的光响应。

图4. α-Ga2O3光电探测器在不同Si/Ga原子比例下的光谱响应度。

图4以及本研究中的光谱响应度信号数据使用卓立汉光公司的DSR300微纳器件光谱响应度测试系统测试得到。其功能全面，提供多种重要参数测试。系统集成高精度光谱扫描，光电流扫描以及光响应速率测试。40μm探测光斑，实现百微米级探测器的绝对光谱祥响应度测量，能满足不同探测器测试功能的要求，是微纳器件研究的优选。

总结和结论

作者通过简单、安全、经济、低能耗的雾化学气相沉积（Mist-CVD）技术制备了源自硅掺杂α-Ga2O3外延薄膜的日盲MSM光电探测器。利用*佳硅掺杂α-Ga2O3薄膜（溶液中Si/Ga原子比例为4%）的光电探测器在20V偏压和254纳米光照下展现出卓越的整体性能，具有3.24×106的光暗电流比、3.23×102 A/W的响应度、8.80×1015 Jones的探测度和1.58×105 %的外部量子效率。作者的工作表明，利用无需真空、成本可承受的Mist-CVD系统生长硅掺杂α-Ga2O3薄膜，是日盲深紫外探测应用的一个有前景的方向。

山东大学冯华钰老师简介

冯华钰，副研究员，硕士生导师。主要从事微纳加工、纳米光学、半导体材料和器件等方面的研究，以第一作者在Adv. Opt. Mater.（内封面文章）, Nanoscale, APL, Opt. Express（编辑高亮文章）等杂志上发表多篇文章；正在主持包括国家自然科学基金青年项目、中国博士后科学基金特别资助等在内的四项国家和省部级项目；多次在PIERS、META等著名国际会议上做口头报告。

教育经历：

2012年9月-2017年5月，西班牙马德里自治大学/马德里微电子研究所/马德里先进研究院，凝聚态物理，博士，导师：罗锋 研究员/Alfonso Cebollada教授

2009年9月-2012年6月，山东大学，材料物理与化学，硕士，导师：陶绪堂 教授

2005年9月-2009年6月，山东大学，微电子学，学士；

相关产品推荐

本研究采用的是北京卓立汉光仪器有限公司DSR300微纳器件光谱响应度测试系统，如需了解该产品，欢迎咨询。

免责声明

北京卓立汉光仪器有限公司公众号所发布内容（含图片）来源于原作者提供或原文授权转载。文章版权、数据及所述观点归原作者原出处所有，北京卓立汉光仪器有限公司发布及转载目的在于传递更多信息及用于网络分享。

如果您认为本文存在侵权之处，请与我们联系，会第一时间及时处理。我们力求数据严谨准确，如有任何疑问，敬请读者不吝赐教。我们也热忱欢迎您投稿并发表您的观点和见解。