兼具高響應度和快速恢復的氧化鎵光電探測器

2020-11-23 騰訊網

圖片來源：Unsplash

撰稿 | 隋文

1

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。

2

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。

3

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-Ga2O3TFTs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-Ga2O3TFT。

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≈10 10A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

4

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》。

相關焦點

  • 氧化鎵光電器件材料助力半導體產業高速發展
    近300項人工智慧、集成電路、航空航天、智能設備、前沿材料等領域科技創新成果、科普展項和互動體驗產品等集中展示。　　其中，第四代半導體氧化鎵材料及其器件獲得了廣泛關注，該材料具有適合日盲紫外波段的禁帶寬度以及極高的耐擊穿場強，在日盲紫外光電探測，高功率、低損耗半導體器件製備方面具有很大優勢，在航空航天、5G通訊、軌道交通、高端裝備、智能電網、新能源汽車等眾多領域具有潛在的應用，市場前景廣闊。
  • 信息科學與工程學院方志來團隊在p型氧化鎵深紫外日盲探測器研究中...
    近日，信息科學與工程學院教授方志來研究團隊在高質量p型β-氧化鎵薄膜與高性能MSM型深紫外日盲光電探測器研究上取得重要進展。超寬禁帶半導體氧化鎵在紫外透明電極、高溫氣敏傳感、深紫外探測以及高壓功率器件等領域具有重要的應用潛力，其材料生長與器件製備技術備受關注。目前，氧化鎵的p型摻雜仍面臨巨大挑戰。然而，這是高性能的氧化鎵光電器件和電子器件應用必須面對和解決的核心科學問題。
  • 研究凸顯了氧化鎵在下一代輻射探測器中的應用前景
    北卡羅萊納州立大學的最新研究發現，利用單晶氧化鎵的輻射探測器可以近乎實時地監控X射線輻射。「我們發現氧化鎵輻射探測器工作非常快，這可以為醫學成像等許多應用帶來好處，」北卡羅來納州立大學核工程副教授，該論文的通訊作者Ge Yang說。「這特別令人興奮，因為最近的研究告訴我們，氧化鎵具有出色的輻射硬度-意味著即使暴露於大量輻射下，氧化鎵也能繼續發揮作用。
  • 高性能深紫外光電探測器問世
    合肥工業大學科研人員成功研發的新型深紫外光電探測器，具備量子效率高、穩定性強且結構簡單、成本低廉的優點，其相關成果日前發表在國際材料物理領域重要期刊《先進材料》上。
  • 合肥工業大學:研發新型深紫外光電探測器
    本報訊（通訊員周慧）目前，我國深紫外光電探測技術由於受傳統器件結構等限制，仍存在易受環境影響、光電性能較差、器件響應速度和信號利用率難以兼顧等問題。近日，合肥工業大學電子科學與應用物理學院科研團隊，成功研發出新型深紫外光電探測器，開創性地將透光性好、電子遷移率高且電阻率低的電子材料石墨烯和高質量β-氧化鎵單晶片引入深紫外光電探測器中，並提出一種全新的器件MSM結構，實現了對半導體與金屬電極接觸性能的大幅提升。器件光譜響應分析結果表明，該器件具有優異的光譜選擇性，在深紫外光區域響應非常明顯。
  • 湖南大學在基於鈣鈦礦微納半導體光電器件研究上取得系列進展
    光電探測器作為光電系統中接收端的核心器件，其性能指標直接影響到光電系統的整體性能。湖南大學物理與微電子科學學院鄒旭明副教授聚焦新型半導體材料光電器件的研究，近期取得了系列進展，在國際高水平刊物上發表多篇研究論文。傳統光電探測器存在靈敏度低、噪聲高、光譜帶寬不足、光學結構設計複雜等缺點。
  • 自驅動範德華異質結光電探測器，具有高光開關比和快速響應
    然而，由於高載流子濃度（≈1018~1020 cm-3）和輻射熱效應，導致了高暗電流（在1 V時>10-7 A）和相對較慢的光響應（≈ms），阻礙了高光開/關比和快速響應的Bi2O2Se光電探測器的進一步發展。儘管已經進行了一些嘗試，通過優化合成工藝和調節柵極電壓來緩解這種瓶頸，但如何以簡單結構和低功耗有效降低2D Bi2O2Se的暗電流仍然具有挑戰性。
  • 如何選擇汽車LiDAR的雷射器和光電探測器
    從目標反射的光脈衝到達光電探測器時，會產生一種使時鐘失效的輸出電信號。這種電子測量往返ToF Δt 可計算出目標到反射點的距離R。若現實中雷射和光電探測器位於同一位置，其距離R是由以下兩因素影響：c為光在真空中的速度，n為傳播介質的折射率(空氣中折射率接近1)。
  • 一文看懂汽車雷射源和光電探測器的選擇
    從目標反射的光脈衝到達光電探測器時，會產生一種使時鐘失效的輸出電信號。這種電子測量往返ToF Δt 可計算出目標到反射點的距離R。 若現實中雷射和光電探測器位於同一位置，其距離R是由以下兩因素影響： c為光在真空中的速度，n為傳播介質的折射率（空氣中折射率接近1）。
  • 光電探測器原理
    光電探測器在軍事和國民經濟的各個領域有廣泛用途。在可見光或近紅外波段主要用於射線測量和探測、工業自動控制、光度計量等;在紅外波段主要用於飛彈制導、紅外熱成像、紅外遙感等方面。光電探測器的分類有好多種，根據器件工作原理的不同或者根據器件對輻射響應方式的不同，光電探測器一般分為兩大類，一種是熱探測器，還有一種是光子探測器。光電探測器的工作原理是基於光電效應，熱探測器基於材料吸收了光輻射能量後溫度升高，從而改變了它的電學性能，它區別於光子探測器的最大特點是對光輻射的波長無選擇性。
  • 光譜用光電探測器介紹
    光探測器按照工作原理和結構，通常分為光電探測器和熱電探測器，其中光電探測器包括真空光電器件(光電倍增管等)和固體光電探測器(光電二極體、光導探測器、CCD等)。　　● 光電倍增管(PHOTOMULTIPLIER TUBES，PMT)　　光電倍增管(PMT)是一種具有極高靈敏度的光探測器件，同時還有快速響應、低噪聲、大面積陰極(光敏面)等特點。　　典型的光電倍增管，在其真空管中，包括光電發射陰極(光陰極)和聚焦電極、電子倍增極和電子收集極(陽極)的器件。當光照射光陰極，光陰極向真空中激發出光電子。
  • 新型石墨烯光電探測器:轉化速度接近極限
    西班牙和美國科學家合作研製出一種基於石墨烯的光電探測器轉化儀，其能在不到50飛秒（1秒的一千萬億分之一）的時間內將光轉化為電信號，幾乎接近光電轉化速度的極限，將大力助推多個領域的發展。　　現在，由西班牙光子科學研究所的研究員弗朗克·科朋斯教授、加泰隆尼亞高等研究院的尼爾克·范·赫斯特、美國麻省理工學院的帕博羅·加裡洛-赫耶羅，以及加州大學河濱分校物理系教授劉津寧（音譯）領導的研究團隊研製出了這種基於石墨烯的光電探測器轉化儀，其能在不到50飛秒的時間內將光轉化為電，將光電轉化速度推到了極限。最新研究已發表在近期出版的《自然·納米技術》雜誌上。
  • 紅外光電探測器的新概念
    目前，由於軍事、民用和天文的快速發展，驅使紅外成像技術從初級階段的「黑白照片」 向中級階段的「彩色照片」過渡，其標誌是美國、法國、英國和德國等研製出了雙（多）色、多波段的三代紅外光電探測器。為追求更高階段的成像探測技術，未來還將繼續發展甚長波、雙色與多色和主被動雙模，以及探索在目標輻射入射方向上原位集成像素級分光和像素級偏振選擇等功能結構的紅外焦平面探測器。
  • 最新論文|真空紫外光電探測器
    高性能VUV探測器在空間科學、輻射監測、電子工業和基礎科學等領域具有重要意義。在VUV區域工作的光電探測器通常必須在清潔、超高真空環境中工作，並且不能在有輻射的情況下相互作用而降解。此外，需要低水平的背景噪聲來幫助檢測相對較弱的信號。最初設計用於可見光譜範圍的矽光電二極體也可用於VUV區域，但顯著的缺點在於其從X射線到近紅外的固有寬帶響應和輻射降解。
  • 光電探測器的選擇指南
    光電探測器是將光輻射轉化為電量的一種元器件，被廣泛的應用於各行業當中。市場上的光電探測器種類繁多，如何才能夠高效、簡易的選擇一款合適光電探測器？我們可以將市場上的光電探測器做個分類，一般可以按照工作波段以及探測器工作原理區分，這樣我們就可以按照我們的需求去選擇對應的探測器了。
  • 氧化鎵的光輝潛力（上）
    認為，由於襯底製造成本可與藍寶石相媲美，而且超寬禁帶有助於提高性能，氧化鎵功率器件有可能通過提供更好的經濟效益來取代那些由SiC和GaN製成的器件。採訪：RICHARD STEVENSON問：當我們查看用於電力電子的寬禁帶材料時，有中量級產品-碳化矽和氮化鎵，它們是當今的成功案例，還有超寬禁帶的重量級材料氧化鎵、金剛石和氮化鋁
  • 新型光電探測器,有出色的傳感和成像能力
    據麥姆斯諮詢報導，來自加州大學洛杉磯分校的薩姆厄裡工程學院（the UCLA Samueli School of Engineering）的工程師們採用石墨烯發明了一款新型光電探測器，它比目前最先進的光電探測器能處理更多類型的光。同時，該器件還具有出色的傳感和成像能力。
  • 煙霧探測器如何選型 離子式和光電型的區別
    打開APP 煙霧探測器如何選型 離子式和光電型的區別 周碧俊 發表於 2018-08-21 15:49:46 煙霧探測器的選型 1.根據火災的特點選擇探測器 ①火災初期有陰燃階段，產生人量的煙和少量熱，很小或沒有火焰輻射，應選用感煙探測器。
  • 全無機鈣鈦礦光電探測器動力學研究取得新進展—新聞—科學網
    近日，中科院大連化物所韓克利研究員帶領複雜分子體系反應動力學研究團隊
  • 光電探測器的性能參數及應用
    光電探測器在軍事和國民經濟的各個領域有廣泛用途。在可見光或近紅外波段主要用於射線測量和探測、工業自動控制、光度計量等; 在紅外波段主要用於飛彈制導、紅外熱成像、紅外遙感等方面。         表徵光電探測器性能參數主要有：量子效率、響應度、頻率響應、噪聲和探測度等。