基于未掺杂纳米晶氧化镓薄膜的高性能节能太阳盲光电探测器

《Materials Science and Engineering: B》：High-performance energy-efficient solar-blind photodetector based on non-doped nano-crystalline gallium oxide films

　　

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  通过合适的退火条件实现GaO_x光电探测器的高性能。
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  通过优化器件几何结构提高光电探测器运行的能效。
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  关键光电探测器参数之间存在相互依赖和权衡关系。
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  GaO_x薄膜和Ti/GaO_x接触决定了光电流与暗电流之比。
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  通过使用脉冲偏压工作模式可以缓解可靠性问题。

引言

在用于制造紫外（UV）探测器的带隙材料中，如Ga₂O₃ [1]、[2]、[3]、[4]、[5]、[6]、[7]、[8]、[9]，SiC [10]，金刚石 [11]，AlN [12]、[13]、[14]，GaN [15]，Al_xGa_1-xN [16]、[17]，Mg_xZn_1-xO [18]、[19]、[20]，氧化镓是太阳光盲紫外探测器最具前景的候选材料之一，这得益于其超宽带隙（4.9 eV），有利于更短的吸收截止波长（260–280 nm）。Ga₂O₃的结晶可形成五种不同的多晶型（α、β、γ、ε和δ），其中单斜β相被认为是最热力学稳定的 [9]。除了对深紫外光的敏感性外，Ga₂O₃还表现出高抗辐射性能和优异的化学和热稳定性，同时与其他超宽带隙材料相比，其生长成本在经济上更为高效 [4]、[21]、[22]。基于氧化镓的光电探测器的高灵敏度和低背景噪声是新一代短距离通信 [23] 和成像应用开发的重要因素，在这些应用中，弱信号的精确检测至关重要 [24]。基于氧化镓的光电探测器在太空通信 [22]、臭氧层空洞紫外泄漏监测、水体污染监测 [25]、环境及生物化学检测 [26]、[27]、火焰检测和电网安全监测以及其他应用中同样具有吸引力 [22]。

太阳光盲光电探测器的关键性能参数包括增益、响应度、量子效率、暗电流、探测率和响应时间 [4]。要同时实现所有光电探测器参数的最先进水平是非常困难且可能不切实际的任务，因为各参数之间的权衡是不可避免的。对于大多数基于氧化镓的金属-半导体-金属（MSM）太阳光盲探测器而言，最严重的问题是响应度与响应速度（时间）之间的权衡，即所谓的"RS困境" [28]。Ga₂O₃中固有的深能级缺陷，如氧空位，可能是导致维持高光电流但响应速度低的原因 [29]、[30]。通过控制氧化镓薄膜中氧空位的浓度和分布来优化载流子传输路径，有助于实现高响应度和高响应速度 [31]、[32]。这对于基于非晶氧化镓薄膜的紫外光电探测器至关重要，由于可以在室温下以低成本在大面积衬底上进行沉积，此类薄膜已引起广泛关注 [33]。非晶氧化镓薄膜可通过射频（RF）磁控溅射 [34]、脉冲激光沉积 [35]、原子层沉积 [36]、金属有机化学气相沉积 [37]、电子束 [38] 和热蒸发 [39] 等方法形成。基于非晶GaO_x薄膜的紫外光电探测器性能与基于晶体Ga₂O₃的探测器相当甚至更优 [40]。非晶氧化镓的光学性质可通过优化沉积参数有效调控，如氧分压 [35]、沉积温度 [41] 和沉积后退火条件 [42]。在450°C温度下进行磁控溅射后，254 nm紫外光照下的光电流显著增加，这归因于非晶向晶体Ga₂O₃相变 [41]。非晶氧化镓薄膜中的固有V_O缺陷在决定金属接触性质 [43] 以及影响短波紫外光照下的响应度和响应速度方面发挥着重要作用 [28]。

尽管人们对研究基于氧化镓的太阳光盲光电探测器的光电性质兴趣浓厚，且已发表了大量主要致力于实现改善特性的论文，但尚未对光电探测器参数间的相互依赖和权衡关系进行系统研究。此外，据我们所知，几乎没有人对在恒定电压应力下光电探测器的可靠性表征表示兴趣。这是一个非常重要的问题，因为电场强度对于氧化镓带隙内缺陷的产生和深能级态的形成可能是显著因素，这反过来可能导致MSM光电探测器特性的退化。

在本工作中，我们研究了基于室温下电子束蒸发沉积并经高达900°C退火的未掺杂纳米晶氧化镓薄膜的MSM光电探测器的电学、光学和结构特性。这些光电探测器在膜厚、器件尺寸和横向电场强度方面表现出关键参数（包括高电流响应度、量子效率和探测率）的显著依赖性和不可避免的权衡关系。这些光电探测器的基本特征是，在253 nm及更短波长的紫外光照下具有高光电流与暗电流之比和短的上升/衰减时间。

本文的组织结构如下：

第2节提供了实验细节，包括GaO_x基器件的制备、退火和表征方法的描述。第3节首先考察退火温度对GaO_x MSM光电探测器光学和电学性质的影响。在第3.1节中，我们证明沉积后退火条件对于实现完全太阳光盲光电探测器特性至关重要，这主要是因为在金属-GaO_x-Si MOS电容器上的电容-电压测量验证了氧化镓带隙内相对浅能级陷阱的消除。在600°C退火后，GaO_x MSM光电探测器表现出高性能太阳光盲光电探测器的特性，具有高（10⁵）光电流与暗电流之比以及光电流对光功率的线性依赖关系。在第3.2节中，我们展示了暗电流和光电流对钛电极的几何形状和尺寸以及横向电场强度的依赖关系。本节获得的数据，包括GaO_x薄膜电阻率的TLM评估以及第3.3节所示的暗电流对GaO_x薄膜厚度的依赖关系，对于实现响应度和探测率之间的合理折衷至关重要。第3.4节专注于Ti/GaO_x接触的表征，并提供了整流接触性质的有力证据，这有助于维持低暗电流，从而即使对于激进缩小的光电探测器几何结构也能实现高探测率。在第3.5节中，我们评估了具有优化叉指（IDT）结构（W/L = 12,800）的MSM光电探测器在低至0.5 V至2 V的工作电压下的关键光电参数，包括电流响应度、探测率和量子效率。GaO_x光电探测器的性能可靠性在第3.6节中进行研究，研究条件为恒定电压应力。由于当电极间距较小时紫外感应光电流更高，因此在激进缩小的器件上可以获得更高的响应度。然而，在高横向电场下的恒定电压应力可以在GaO_x体内产生缺陷。研究表明，即使在中等横向电场（如≤ 10 kV/cm）下，也会出现暗电流增加和关键光电探测器参数退化的情况。为缓解在恒定偏压下工作的光电探测器的可靠性问题，我们开发并描述了第3.7节中介绍的采用电子斩波器进行光电流测量的方法。第3.8节评估了暗电流和光电流的极低器件间变异性。由于非晶氧化镓经热退火后结构性质的变化在众多研究论文中已有充分记载，而本研究的主要目标是调查GaO_x薄膜的光电性质，因此在第3.9节中仅对少数展示光电性质基本变化的GaO_x样品进行了XRD、AFM和拉曼表征。

各节摘要

实验

氧化镓薄膜的沉积是通过Leybold L 560系统对压制Ga₂O₃粉末压片进行电子束蒸发完成的。Ga₂O₃粉末纯度为99.999 wt%，由ICP-AES（iCAP-6500 Duo，Thermo Scientific，美国）和ICP-MS（XSeries II，Thermo Scientific，美国）质谱仪测定。基底残余气体压强为2·10^?6 Torr，蒸发源到衬底的距离为30 cm。沉积速率为0.1–0.2 nm/s。供应氧气

沉积态和退火GaO_x薄膜的光电性质

在氧化硅衬底上沉积的60 nm厚GaO_x薄膜在施加40 V电压时，暗电流不超过2?10^?10 A，对应的横向电场强度为2 kV/cm。如图2a所示，在白光照和紫外光照下电流显著增加。GaO_x薄膜对不同光照的敏感性强烈依赖于退火温度。图2b

讨论

图2中呈现的数据表明，在600°C退火的基于GaO_x的MSM器件表现出太阳光盲光电探测器的特性，对253 nm或更短波长的紫外光功率和光波长敏感（图2c）。由TLM数据（图8）揭示，薄膜GaO_x的电阻比整流Ti-GaO_x接触的电阻大约高10倍，因此紫外光照下的电流增强主要由

总结与结论

我们制造了基于未掺杂纳米晶氧化镓薄膜的简单且低成本和能效高的太阳光盲MSM光电探测器。这些器件表现出高性能本征光电电阻器的特性，包括高电流响应度、量子效率和探测率。这些光电探测器的基本特征是，在253 nm及更短波长的紫外光照下具有高光电流与暗电流之比和短的上升/衰减时间。这些器件的工作电压

CRediT作者贡献声明

Sergei Koveshnikov：撰写 – 原稿，验证，监督，方法论，调查研究，形式分析，概念化。Vladimir Volkov：撰写 – 审阅与编辑，验证，方法论，调查研究，形式分析，数据管理。Oleg Soltanovich：撰写 – 审阅与编辑，验证，方法论，调查研究，形式分析，数据管理。Maxim Knyazev：撰写 – 审阅与编辑，验证，方法论，调查研究，形式分析。Andrei Znamenskii：撰写 –

致谢与资助

本研究由国家任务 № 075-00296-26-00支持。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文所报告工作的竞争性财务利益或个人关系。

Sergei Koveshnikov|Vladimir Volkov|Oleg Soltanovich|Maxim Knyazev|Andrei Znamenskii|Vitaly Korepanov|Vladimir Khvostikov|Dmitry Roshchupkin