兼具高響應度和快速恢復的氧化鎵光電探測器

2020-12-03 中科院物理所

圖片來源：Unsplash

撰稿 | 隋文

01

導讀

紫外光電探測器在保密通訊、天外星體探查、災害天氣預報、生物醫學檢測等多個軍用及民用領域都有著非常廣泛的應用。

近年來，雙端氧化鎵（Ga2O3）光電探測器(PDs) 被廣泛研究，但由於氧化物半導體材料中普遍存在大量的氧空位(Vo)缺陷，由光照產生的光電導在光照撤除後長時間保持不變，這種持久光電導(PPC) 效應會導致雙端Ga2O3光電探測器的響應速度較慢，進而阻礙了器件性能的提升。

近日，針對這一普遍存在的問題，中國科學院物理研究所梅增霞和梁會力等人設計了三端結構的非晶氧化鎵（a-Ga2O3）紫外光電電晶體，通過對柵極施加850 ms的正向脈衝電壓，有效抑制了器件的持久光電導現象，得到具有高響應度且能快速恢復的a-Ga2O3深紫外探測器。

02

背景介紹

當下針對a-Ga2O3紫外光電探測器或成像應用，迫切需要對光電電晶體結構製備與器件應用進行深入研究，以很好地抑制PPC並提高響應速度，同時保持高的光響應率。

與傳統的雙端光電探測器相比，三端光電電晶體可以靈活地控制信道載流子的傳輸行為，被認為是提高光電探測器性能的一種有效途徑。

一方面，因綜合了電晶體和常規光電導體的固有增益，光電電晶體可以有效的提高光暗電流比和響應率。

另一方面，根據Jeon等人在GIZO/IZO/GIZO三端光敏傳感器陣列中的報導，通過在第三端門上施加門脈衝可以有效的消除PPC效應。藉此，光電探測器的響應速度有望得到顯著提升。

此外，a-Ga2O3通道對金屬和其他氧化物的可控選擇性刻蝕是實現低柵漏電流和良好傳輸特性的關鍵。然而，在現階段的器件製備過程中，使用常規的磷酸溶液對a-Ga2O3進行圖形化的過程中難以避免會刻蝕底層氧化鋁，嚴重影響了器件性能及良品率。

為解決這一技術難題，該團隊開發了一種針對a-Ga2O3的高選擇性溼法刻蝕工藝，通過控制刻蝕條件，可以有效的保證底層氧化鋁介電層在a-Ga2O3圖形化的過程中不受影響。

基於以上結構創新和製備工藝的改良，該研究團隊在石英襯底上成功製備了以氧化鋁為介電層的底柵型非晶氧化鎵薄膜光電電晶體。

此器件在254 nm UV照射下表現出優異的性能，如響應度高達5.67×103A/W，光暗比~5×107，檢測率高達1.87×1015Jones。

更值得注意的是，通過對器件柵極施加850 ms的正向脈衝電壓，其持久光電導PPC得到了有效抑制，從幾十秒降低為~5 ms，成功實現了高響應度與快響應速度兼具的目標，有效推動了非晶氧化鎵紫外探測器的進一步發展。

03

創新研究

3.1

TMAH溶液的選擇性刻蝕

四甲基氫氧化銨（TMAH）溶液的選擇性刻蝕能力對薄膜電晶體（TFT）器件的製作至關重要。

實驗表明，在60℃的0.24% TMAH溶液中，a-Ga2O3與氧化鋁（Al2O3）的選擇性蝕刻率比值為17:1，這保證了a-Ga2O3 TFTs在製備過程中具有足夠寬且易於控制的操作區域。

通過與H3PO4溶液對比，進一步證實了TMAH溶液的刻蝕效果。如圖1. 所示，兩種情況下的三維雷射掃描共聚焦顯微鏡橫斷面圖表現出了高度相似性，說明TMAH溶液對a-Ga2O3薄膜的蝕刻效果與H3PO4相當。

而TMAH幾乎不能刻蝕金屬和Al2O3的優點使a-Ga2O3通道對金屬和其他氧化物的可控選擇性刻蝕成為可能。

圖1. TMAH和H3PO4對a-Ga2O3薄膜的蝕刻的影響

3.2

圖案化a-Ga2O3可優化器件性能

在SiO2/Si襯底上分別製備了有圖案和無圖案的a-Ga2O3通道的常規底柵TFTs，如圖2a.所示。兩種器件的電學特性(圖2b.)表明，有圖案的a-Ga2O3通道的TFT呈現典型的n型傳輸曲線，且洩漏電流極小，而無圖案的a-Ga2O3通道的TFT表現出異常的傳輸行為。

因此，採用UV和TMAH刻蝕相結合的工藝對a-Ga2O3通道層刻蝕是必要的。

圖2. 有圖案和無圖案的a-Ga2O3通道的 (a) 薄膜電晶體結構圖. (b) IDS–VGS和IGS–VGS

3.3

脈衝偏壓可抑制光電導效應

與SiO2/Si襯底相比，Al2O3介電常數為8.5，相比SiO2具有更優秀的柵控能力，常作為介電層材料用在薄膜電晶體中。

如圖3. 所示，基於石英襯底，在Al2O3介電層上製備了具有底柵交錯結構的a-Ga2O3 TFT。

在UV 254 nm光照下，該器件表現出良好的電學性能，開/關比高達107，響應度高達5.67×103A/W，探測率為1.87 × 1015Jones。

在實現高響應率後，為進一步減小光電導效應PPC，在源漏電壓（VDS）保持10V的情況下，施加一個脈衝寬度為850 ms的20V正柵偏置，源漏電流(IDS)曲線首先出現瞬時尖峰，當柵極電壓復位至0 V時，立即恢復到原始≈1010A水平，說明有效的柵極控制很好地抑制了PPC現象。

圖3. (a) 石英上的a-Ga2O3光電電晶體的結構示意圖及電學特性. (b)脈衝抑制PPC及衰變時間

3.4

能級能帶機理分析

如圖4a.所示，在UV照射之前，TFT工作在低關斷電流的耗盡區，因為在這種情況下既不會形成電通道，也不會形成光生載流子。

在紫外光照射下，電子從價帶被激發到導帶，較深的中性Vo缺陷被電離成淺層的供體Vo2+或Vo+，這兩種缺陷都對源極和漏極之間的電流有很大的貢獻。

如圖6b.所示，在負柵偏壓下，空穴和電離的淺層施主被捕獲在通道/介電界面上，而電子被推向體膜和後通道。

因此，在沒有光照的條件下，上述由負柵偏壓引起的Vo2+與光生電子的物理分離會抑制Vo2+態迅速恢復到中性Vo態(圖6c.)，使薄膜仍然保持低電阻率。

在門脈衝偏置為正的情況下，電子容易在前通道附近聚集(圖6d.)。這些積累的電子極大地促進了Vo2+態的中和，從而使器件從PPC態快速恢復。

圖4. 能級能帶機理分析

04

應用與展望

本文介紹了利用四甲基氫氧化銨(TMAH)水溶液選擇性刻蝕a-Ga2O3通道的底柵a-Ga2O3TFTs和光電電晶體。

這種新的蝕刻方法具有成本低、操作簡單、安全性好、與光刻的相容性好等優點，有望在未來得到廣泛應用。

對於矽基底上常見的底柵a-Ga2O3TFT，帶圖案溝道的器件比無圖案的器件具有更好的電晶體特性。在石英基底上的a-Ga2O3型TFT顯示出優良的n型TFT性能，通斷比高達≈107。

它可以被進一步應用於光電電晶體，以減少持久的PPC效應，同時保持高響應。

在a-Ga2O3紫外光電晶體中，PPC現象可藉由施加正閘脈衝而有效抑制，而正脈衝可將衰減時間大大縮短至5 ms，這為a-Ga2O3進入影像應用提供可能。

該研究成果以「BoostedUV Photodetection Performance in Chemically Etched Amorphous Ga2O3Thin-Film Transistor」為題發表在《Advanced Optical Materials》。【點這裡查看原文】

來源：長春光機所 Light學術出版中心

編輯：Dannis

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