调控化学计量比原位 SiNx钝化：提升 AlGaN 日盲紫外光电晶体管性能的关键策略

AlGaN 基异质结场效应光电晶体管（PTs）用于日盲紫外（SBUV）检测时，受表面态效应困扰。研究人员探究化学计量比改性的原位 SiNx钝化对其性能的影响。结果优化后的器件性能大幅提升且稳定性良好，为 SBUV 探测器发展提供新路径。

　　在科技飞速发展的当下，光电器件领域对于高性能探测器的追求从未停止。日盲紫外（SBUV）探测器，因其能在 200 - 280nm 波长范围工作，在环境监测、生物医疗、军事安防等众多领域都有着不可替代的作用。其中，AlGaN 基异质结场效应光电晶体管（PTs）凭借低工作电压和高增益特性，成为了极具潜力的日盲紫外探测材料。

然而，理想很丰满，现实却很骨感。这些看似前景无限的器件，却被表面态效应折磨得 “苦不堪言”。表面态就像是隐藏在器件中的 “捣乱分子”，由不饱和悬挂键和缺陷产生，它们主要以深能级陷阱的形式存在。这些陷阱可不安分，逮着光生载流子就 “抓”，抓了之后还时不时 “放” 出来，这一抓一放，直接让器件的响应速度大打折扣，就像人被绑住了手脚，行动变得迟缓；光闸电压也变得不稳定，仿佛一个情绪多变的孩子；而且还诱导出了持久光电导（PPC）效应，就好像一个机器一旦启动，就很难停下来，一直处于 “工作” 状态。不仅如此，被陷阱捕获的载流子还会增加漏电流，降低光谱抑制比，加速光生电子 - 空穴对的复合，降低量子效率。这些问题严重限制了 AlGaN 基 PTs 的性能和稳定性，就像给奔跑的骏马绑上了沉重的石头，让其难以发挥真正的实力。

为了给这些 “生病” 的器件找到 “良药”，让它们能正常发挥作用，研究人员开启了一场探索之旅。虽然此前原位 SiN_x钝化技术已显示出一定的潜力，比如能降低界面陷阱密度、抑制关态漏电流等，但对于 SiN_x层化学计量比在日盲紫外探测器中的关键作用，还缺乏深入研究。在这样的背景下，来自未知研究机构的研究人员决定深入探究化学计量比改性的原位 SiN_x钝化对 AlGaN 基异质结场效应光电晶体管性能的影响，相关研究成果发表在《Applied Surface Science》上。

研究人员主要运用了以下关键技术方法：采用低压金属有机化学气相沉积（MOCVD）系统进行外延生长，在 C 平面蓝宝石衬底上生长出包含 AlN 成核层、AlN 模板层、Al_xGa_{1 - x}N 成分渐变层、Al_0.48Ga_0.52N 二维电子气（2DEG）沟道层和 Al_0.57Ga_0.43N 势垒层的外延结构；利用高分辨率透射电子显微镜（HR - TEM）对原位钝化层的结构特性进行表征。

结果与讨论

研究人员首先对原位钝化层的结构特性进行了表征。通过 HR - TEM 观察发现，在 2nm 的 SiN_x钝化层和 Al_0.57GaN 势垒层之间存在明显的界面，且 SiN_x/Al_0.57GaN 界面呈现出有序的原子排列，这表明初始 SiN_x单层与 AlGaN 层之间具有外延相干性。

接着，研究人员探究了不同化学计量比的原位 SiN_x钝化对器件性能的影响。实验结果令人惊喜，通过控制 MOCVD 生长过程中的 NH₃/SiH₄流量比，制备出富 N 的 SiN_x层，能有效抑制深能级缺陷。优化后的日盲紫外 PTs 性能大幅提升，在 5V 电压下暗电流低至 30fA；由于 PPC 效应得到抑制，光电流在 20s 内衰减了 4 个数量级；光谱抑制比（246/300nm）提高到 2.0×10⁴；特定探测率高达 6.7×10¹⁸Jones。而且，经过钝化处理的 PTs 在环境稳定性方面表现出色，在环境条件下放置 360 天，仍能保持一致的光响应性能。

结论

研究人员成功展示了一种针对 AlGaN 基异质结场效应光电晶体管的化学计量比工程原位 SiN_x钝化策略。通过优化 MOCVD 生长过程中的 NH₃/SiH₄流量比，获得了富 N 的 SiN_x层，该层可能通过绝缘氧杂质和掺入 Si 占据 AlGaN 晶格中的阳离子空位这两种主要机制，有效抑制深能级缺陷。这种双机制显著降低了 PPC 效应，提高了光谱抑制比，降低了暗电流，提升了器件的环境稳定性。

这项研究为理解化学计量比调控的原位 SiN_x钝化如何提升日盲紫外探测器性能提供了理论依据，为其在实际应用中的部署开辟了新途径。它就像一把钥匙，为解锁高性能日盲紫外探测器的大门提供了可能，有望推动光电器件领域在相关应用中的进一步发展，让日盲紫外探测器在更多场景中发挥更大的作用，为科技进步注入新的活力。