近日，電子科學與技術(shù)學院楊偉鋒教授團隊在第四代半導體氧化鎵（β-Ga2O3）外延生長技術(shù)和日盲光電探測器制備方面取得重要進展。相關(guān)研究成果在IEEE微電子器件制造領(lǐng)域的多個學術(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和高性能的器件應用提供了重要支持。
圖1 氧化鎵材料MBE異質(zhì)外延生長機理研究和材料表征分析圖。
(詳情請見IEEE Sensor Journals DOI 10.1109/JSEN.2024.3373252)
β-Ga2O3材料因其本征日盲光吸收(254 nm)，簡單二元組成，帶隙可調(diào)，制備工藝簡單等優(yōu)勢在日盲光電探測器領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注。在β-Ga2O3薄膜生長方面，研究團隊利用分子束外延技術(shù)（MBE）實現(xiàn)了高質(zhì)量、低缺陷密度的外延薄膜生長。并通過改變反應物前驅(qū)體和精密控制生長參數(shù)，成功實現(xiàn)了β-Ga2O3外延薄膜的均勻生長和優(yōu)良的晶體質(zhì)量，有力地推動了β-Ga2O3薄膜的高質(zhì)量異質(zhì)外延的發(fā)展。同時，研究團隊還通過對MBE外延生長過程中的β-Ga2O3薄膜生長機制進行詳細探究，揭示了其成核、生長的差異性，并建立了相對應的外延生長機理模型圖。研究成果如圖1所示。
圖2 CuCrO2/β-Ga2O3 p-n異質(zhì)結(jié)光電探測器結(jié)構(gòu)、性能和能帶示意圖。
(詳情請見IEEE Transactions on Electron Devices DOI 10.1109/TED.2024.3373382)
在β-Ga2O3日盲光電探測器制備方面，研究團隊基于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的高響應度、3.7×1012 Jones的高探測率和24.6%的高外量子效率，優(yōu)于大多數(shù)報道的基于β-Ga2O3的異質(zhì)結(jié)光電探測器。研究成果如圖2所示。另外，研究團隊在MBE異質(zhì)外延β-Ga2O3生長機制的基礎(chǔ)上，結(jié)合半導體光電響應原理，探究了異質(zhì)外延β-Ga2O3薄膜日盲光電探測器的性能指標。研究團隊利用臭氧作為前驅(qū)體所制備的金屬-半導體-金屬結(jié)構(gòu)日盲光電探測器表現(xiàn)出7.5 pA的暗電流、1.31×107的光暗電流比、1.31×1015 Jones的比檢測率和 53 A/W的光響應度，表現(xiàn)出相當優(yōu)異的對日盲紫外光的探測性能。同時針對外延薄膜光電探測器暗電流大的不足，研究團隊在金半界面處引入了鈍化層改善器件性能：利用AlN/β-Ga2O3界面工程對金半界面處的載流子傳輸進行調(diào)控，所制備的金屬-絕緣體-半導體-絕緣體-金屬（MISIM）結(jié)構(gòu)的日盲光電探測器實現(xiàn)了響應度和響應速度的同時優(yōu)化。具有 3 nm AlN 層的光電器件表現(xiàn)出482 A/W 的響應度、2.48×1015 Jones 的比探測率和0.10 s 的快下降時間。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器光電探測性能和能帶圖。
(詳情請見IEEE Sensor Journals DOI 10.1109/JSEN.2024.3373252, IEEE Photonics Technology Letters 36, 593-596 (2024))
研究團隊在β-Ga2O3材料和器件的研究進展為超寬禁帶半導體在日盲深紫外探測器領(lǐng)域的應用和發(fā)展提供了技術(shù)參考，推動超寬禁帶半導體基光電子技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展，為構(gòu)建低噪聲、高光響應的光電子器件開拓了研究途徑。
三篇論文的第一署名單位均為廈門大學，第一作者分別是2021級博士生田成義和2021級碩士生張傳倫（并列第一）、2022級碩士生林嘉隆、2021級碩士生張傳倫，唯一通訊作者均為我院楊偉鋒教授。課題組研究得到了國家自然科學基金項目、福建省“閩江學者”項目和廈門“雙百人才計劃”和福建省“*專百人計劃”項目的支持。
（來源：集微）
