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高响应抑制比的金属-半导体-金属ε-Ga2O3日盲光电探测器以及增益机制研究
阅读次数:329 发布时间:2021/10/11 15:48:03
日盲光电探测器对波长在220-280 nm范围内的光敏感在军事和商业领域都有着广泛的应用,例如光学追踪、光通信和成像。得益于优越的材料和电学特性,包括良好的热学和化学稳定性、优异的抗辐照性能以及直接对应日盲区域的光探测波长,宽禁带半导体材料具备更显著的优势。在过去的几年里,由于Ga2O3相关材料的优异的抗辐照特性、良好的热稳定性以及4.7-5.3 eV直接对应于日盲波段的超宽禁带宽度,已经引起了广泛的关注。目前,几乎所有关于Ga2O3 PDs的研究都是基于a-或β-Ga2O3材料,然而探测器的光电性能不尽如人意并且增益机制尚未分析确定。因此,ε-Ga2O3的材料和光电特性有待进一步研究。
本工作研究了基于通过MOCVD方法在蓝宝石衬底上生长的ε-Ga2O3外延薄膜制备的高性能MSM SBPDs。该MSM ε-Ga2O3 PDs展现出诸如230 A/W的响应度和1.2×105的抑制比(R250 nm/R400 nm)等优异的日盲光电探测性能。此外,该器件的外量子效率(EQE)很(1.13×105%)、探测率高(1.2×1015 Jones)、恢复速度快(24 ms),表明其具有很高的灵敏度和对极弱信号的探测能力。重要的是,本文基于电流输运特性和密度泛函理论(DFT)解释了MSM ε-Ga2O3 SBPD的增益机制。这些结果表明ε-Ga2O3具备在未来应用于日盲光敏和成像领域的潜能。
MSM ε-Ga2O3 SBPD 电流输运机制研究
MSM ε-Ga2O3 SBPD的结构示意图如图1(a)所示。指电极由20/50 nm Ti/Au组成,薄膜的禁带宽度为4.9 eV。如图1(b)利用在黑暗环境下温度依赖的电流-电压(I-V-T)特性探究电流输运机制I-V-T曲线可以分为两种状态:一个是低电场状态,电流随偏压呈指数增长;另一个是高电场状态,电流电压的依赖关系不明显

1.aMSM ε-Ga2O3 SBPD的结构示意图。(b)在不同温度下暗场中I-V曲线。(cln(J)/V和(dln(J/E)/E1/2随温度的变化曲线(e)参数c(T)1/T的关系曲线及其线性拟合。(fMSM ε-Ga2O3 SBPD能带图中TFEPFE的示意图。

在图1c)中可以看出,在低偏压下TFE机制应该是主要的暗电流输运机制。在大电场下的I-V特性表现出对偏压的弱依赖关系,运用Poole-Frenkel emissionPFE模型可以解释该情况下可能的电流输运机制。图3d)是ln(J/E)作为E1/2的函数曲线PFE是大电场下主导的电流输运机制。如图1e曲线的斜率可以得到,ε-Ga2O3缺陷和导带之间的发射势垒高度为0.67 eV。图1f)给出了制备的PDs的能带结构中的TFEPFE机理的示意图。

MSM ε-Ga2O3 SBPD 的光电响应特性

2a)为黑暗条件和254 nm光照下刚制备好的PDsI-V特性曲线响应度230 A/W。这一结果PDCR表明MSM ε-Ga2O3 SBPD具有高的效率和灵敏度。探测率为1.2×1015 Jones,表明该器件具实现高信噪比的能力。EQE1.13×105%。在不同光强下,上述指标的变化趋势如图2b)和(c)所示。图2d)为半对数坐标中6 V偏压下RD*随波长变化的曲线,插图为制备的PD的归一化响应光谱。可以看出响应光谱的截止波长为270 nm,器件表现出显著的日盲光电探测特性。器件的抑制比1.2×105以上均表明MSM ε-Ga2O3 SBPD对日盲波段的光具有高灵敏度。

在室温下,不同偏置电压下MSM ε-Ga2O3 SBPD的光谱响应曲线如图3所示。提取光谱响应曲线的峰值响应度,作为V1/2的函数重新绘制在图4中。由图可知,RV1/2的增加而指数增加。该器件得到的高增益和大响应度、外量子效率表明MSM ε-Ga2O3 SBPD中存在很的内部增益机制。


 

 

图2.(a)在不同条件下半对数坐标中器件的I-V特性。(b)光电流和PDCR,(c)RD*对光强的依赖关系。(d)MSM ε-Ga2O3 SBPD的RD*随波长的变化曲线。插图为器件的归一化光谱响应线。


图3.不同偏压下,半对数坐标中MSM ε-Ga2O3 SBPD的光谱响应曲线

 

 

图4. 响应光谱的峰值响应度作为V1/2的函数曲线。
 
MSM ε-Ga2O3 SBPD 的增益机制研究
图5(a)为I-V特性曲线表明深能级缺陷态的亚禁带吸收对光电流的贡献作用,但在高温下陷阱态中束缚的电子发射会削弱亚禁带吸收现象。结合电流输运机理,我们可以确定MSM ε-Ga2O3 SBPD的增益机制。如图5(b)所示观察可知响应度和光强、偏压、工作温度、M-S界面的陷阱态以及暗电流密切相关。肖特基势垒的降低可以响应度和外加电压的关系中得到,如图5(c)所示。被占据的陷阱态浓度NssNss对温度的依赖关系如图5(d)所示这种对温度的依赖关系是因为在更高的温度下更多的电子在陷阱态和导带底之间发射。因此,受主型陷阱态捕获光生空穴的可能性可以被降到,这将导致肖特基势垒降低效应和MSM PD的增益被抑制。这一机制也可被图6、7中不同温度下的光电流和光响应的变化曲线证实。观察可知,光电流和响应度随温度的升高而降低,表明电流增益被抑制。

图5.(a)在不同条件下器件的I-V曲线。(b)MSM ε-Ga2O3 SBPD的能带示意图。(c)不同温度下势垒高度作为(Vbi-V)的函数。(d)被占据的缺陷态密度的Arrhenius图。

图6. MSM ε-Ga2O3 SBPDI-V曲线对温度的依赖关系。


7.光电流和响应度随温度的变化曲线。
 
MSM ε-Ga2O3 SBPD 的时间响应特性


图8.(a)不同偏压下,PD的I-T曲线。(b)Pλ=87 μW/cm2V=6 V时I-T曲线放大的下降沿。
图8a显示了不同偏置电压下光电特性随时间的变化器件对波长254nm的光照具有良好响应、再现性和稳定性在重复开关光源时器件衰减速度很快。为了获得更准确的恢复时间,将该瞬时响应的衰减阶段放大后绘制在图8b中。MSM ε-Ga2O3 SBPD器件的衰减时间τd1τd2分别为24和79 ms。这两个值与之前报道的Ga2O3
光电探测器相比有明显提高。
相较于之前的Ga2O3光电探测器,MSM ε-Ga2O3 SBPD展现了更为良好的综合性能,其中包括基于MSM结构实现的当前高的响应度(230 A/W)和抑制比R250 nm/R400 nm为1.2×105,高的归一化探测率,光暗电流比,低暗电流和短的下降时间
ε-Ga2O3 薄膜性原理计算研究
为了进一步研究ε-Ga2O3薄膜禁带中的缺陷态,采用Vienna Ab initio和projector-augmented wave进行DFT计算。采用Armiento-Mattsson 2005(AM05)泛函中的广义梯度近似来计算交换相关能。采用了基于GGA+U基态的shGGA-1/2方法计算电子结构,结果得到禁带宽度4.49 eV。本文中计算了ε-Ga2O3中三个不等价的氧空位形成能,并在图9ab中分别绘制了带氧空位的能带图和态密度图9b表明氧空位的形成会在禁带中央引入缺陷态,在这些缺陷态处电子被高度局域ε-Ga2O3薄膜的阴极发光光谱证实了缺陷态的存在,如图10所示。
此外,本文研究了氢和氯掺杂有关的缺陷态,在图9c中可以观察到,深能级缺陷状态可以被氢钝化,得到Ga2O3中的一个浅层施主。MSM ε-Ga2O3 SBPD快速的响应速度归功于这些缺陷能级的钝化。同样地,如图9d所示,Cl作为间隙杂质时,将在ε-Ga2O3的带隙中引入位于VBM上方的两个缺陷能级。当Cl作为替位杂质,缺陷移动到导带底CBM,但在价带顶(VBM附近仍然存在深能级缺陷态。图11给出了ε-Ga2O3能带图


 
图9.(a)ε-Ga2O3中三种不等价氧的能带结构图。蓝色和红色的值分别表示禁带宽度和价带顶上部的氧空位引入的缺陷能级。(b)三种不等价氧,(c)间隙/替位杂质H和(d)间隙/替位杂质Cl 引入的缺陷能级态密度。
 
10. ε-Ga2O3薄膜的阴极发光光谱。
图11. ε-Ga2O3的能带图。
 
 
 
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(863、973、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。获得/申请100余项,其中9项转移给国内的集成电路制造企业中芯,74项授权/受理发明许可给武汉新芯。
 
 
 
文章信息
这一成果以MetalSemiconductorMetal ε‑Ga2O3 Solar-Blind Photodetectors with a Record-High Responsivity Rejection Ratio and Their Gain Mechanism”为题发表在ACS Photonics期刊上。中国科学技术大学覃愿为作者,龙世兵教授为通讯作者。
文章信息:ACS Photonics, 2020, 7,3, 812-820
本研究采用的是北京卓立汉光仪器有限公司DSR600 光电探测器光谱响应度标定系统,如需了解该产品,欢迎咨询我司。
(附录产品链接)
https://www.zolix.com.cn/Product_desc/1175_1494.html
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