通过背面照明提升基于α-Ga?O?的深紫外光探测器性能

《Materials Science in Semiconductor Processing》：Performance enhancement of α-Ga 2O 3-based deep-ultraviolet photodetectors through back-side illumination

　　

## 摘要

深紫外光探测器（DUV PDs）需要宽带隙半导体才能实现优异的光学盲特性，而氧化镓（Ga?O?）作为一种有前景的材料，已应用于下一代深紫外光探测器。基于α-Ga?O?的深紫外光探测器已得到研究，但其缓慢的光响应速度仍然是一个挑战。在本研究中，通过氢化物气相外延（HVPE）生长α-Ga?O?薄膜，随后进行快速热退火（RTA），并制备成金属-半导体-金属（MSM）结构的深紫外光探测器。RTA工艺减少了与氧空位相关的缺陷，从而改善了器件的整体性能，包括光响应速度。此外，研究还发现，背光照方式（即光通过衬底进入活性层）相比前光照方式，增强了载流子的产生和收集，从而加速了光响应。测量结果表明，经过5分钟RTA退火的器件在230 nm背光照下的响应度为2.95 A W?1，探测率（D*）为9.74×1013 Jones，外量子效率（EQE）为1590%。开通响应时间为0.886 s，相比前光照（2.352 s）减少了62%。这些发现强调了RTA工艺和背光照的互补作用，为开发高性能的α-Ga?O?基深紫外光探测器用于先进光电应用提供了一种实用策略。

## 引言

紫外线（UV）辐射是指位于可见光和X射线之间的电磁波谱部分。它主要来源于太阳辐射，波长范围一般为100–400 nm [1,2]。紫外线通常被分为三个区域：UV-A（315–400 nm）、UV-B（280–315 nm）和UV-C（100–280 nm），尽管各区域的波长范围可能因应用而略有变化。这种分类反映了不同紫外线区域在生物和环境方面的影响差异，并为紫外线相关研究提供了基础 [1,2]。在此方面，人工紫外源如紫外灯 [[3],[4],[5],[6]] 和发光二极管（LEDs）[[7],[8],[9],[10],[11]] 已被开发出来，在紫外线技术的商业化中发挥着重要作用，类似于自然阳光。特别是，能够检测和定量紫外线辐射的紫外光探测器（PDs）也得到了开发，作为集成到先进科学技术应用中的关键组件，引起了广泛关注。

紫外光探测器是有前景的器件，能够在公共卫生和安全以及环境领域提供重要的技术价值。它们可以监测大气臭氧浓度和紫外线强度 [12,13]，并可用于评估包括水在内的各种介质的卫生状况 [14,15]。此外，它们能够实现火灾和电弧放电等危险的早期检测，并可利用于国防技术中，以提供针对导弹等外部威胁的预警 [[16],[17],[18],[19],[20]]。最近，它们的应用还扩展到逻辑操作、光通信和神经形态应用等高级功能 [[21],[22],[23],[24],[25]]。这些广泛的应用大多依赖于针对UV-C区域的深紫外光探测器（DUV PDs）[26]。这是因为太阳辐射中的UV-C信号几乎被地球大气层完全吸收，因此在地面几乎不存在（即光学盲特性），从而最大限度地减少了背景噪声和光干扰 [1,2]。这些条件有利于检测来自火灾、电弧放电和导弹火焰的UV-C信号。因此，DUV PDs需要宽带隙材料以增强对UV-C的光谱选择性，其中氮化铝镓（AlGaN）[[27],[28],[29],[30],[31]]、氧化镁锌（MgZnO）[[32],[33],[34],[35],[36]] 和氧化镓（Ga?O?）是最活跃研究的代表材料。其中，Ga?O?具有4.8–5.3 eV的宽带隙，具体取决于其晶体相（α、β、γ、δ、ε），并展现出稳定性，甚至在恶劣条件下（如极端热环境和太空环境）也几乎不会退化 [[37],[38],[39],[40],[41],[42]]。此外，生长和薄膜制备技术的最新进展使其具备了可扩展性，将Ga?O?定位为下一代DUV PDs的有前景材料 [43,44]。

α-Ga?O?在所有Ga?O?多晶型中具有最宽的带隙（约5.3 eV），展现出优异的光学盲特性。该特性使其在可见光区域具有高透过率，为选择性检测UV-C信号提供了优势。此外，α-Ga?O?与蓝宝石（Al?O?）衬底之间的优异晶格匹配使得低成本异质外延生长成为可能，为在商用但昂贵的Ga?O?衬底上进行同质外延生长提供了替代方案。鉴于这种潜力，各种α-Ga?O?外延生长技术已被研究，代表性方法包括氢化物气相外延（HVPE）[[45],[46],[47]]、金属有机化学气相沉积（MOCVD）[[48],[49],[50]]、雾式化学气相沉积（Mist-CVD）[[51],[52],[53]] 和分子束外延 [[54],[55],[56]]。其中，HVPE具有高生长速率且无需高真空条件，使其相对成本效益高，并在器件制备中具有可扩展性优势 [57,58]。这些生长技术的进展导致了α-Ga?O?基DUV PDs的制备。迄今为止，大多数报道的器件均采用金属-半导体-金属（MSM）结构 [[59],[60],[61],[62],[63],[64],[65],[66]]。同质结光电二极管和光晶体管尚未得到证实，主要由于在Ga?O?中实现稳定的p型掺杂的难度 [67]。在一项研究中，设计了具有不同电极特性的非对称MSM结构，从而实现了类似于光电二极管的整流特性 [68]。大多数制备的器件存在缓慢的光响应速度，特别是开通响应延迟，因为生长过程中α-Ga?O?中的氧空位等缺陷捕获了光生载流子，延迟了其传输和收集，从而限制了器件性能 [69]。因此，实际应用需要进一步的研究和工艺优化。

除了缺陷控制之外，光照方向也可能是决定器件性能的重要因素。在常规光电器件中，位于器件前侧的金属电极、金属布线或表面结构可能会阻挡或吸收部分入射光，从而限制光吸收。在此方面，背光照及相应的器件配置已被用作一种有效的方法，通过使光在到达活性区域之前不必经过这些结构来减少光损失，从而改善器件性能。例如，在互补金属氧化物半导体（CMOS）图像传感器 [[70],[71],[72]]、电荷耦合器件（CCD）[73] 以及高灵敏度光电二极管（如雪崩光电二极管和单光子雪崩二极管）[[74],[75],[76]] 中，该方法已被报道可改善量子效率和灵敏度。特别地，在CMOS图像传感器中，它还可以为金属布线布局提供更大的灵活性 [70]。在太阳能电池中，一种类似的设计概念也通过交指背接触或后接触结构得到应用，以减少由前侧金属电极引起的遮光损失 [77]。这种设计概念同样适用于MSM结构的DUV PDs，在这种结构中，金属电极形成于活性层上。例如，一项关于Ga?O?基MSM PDs的研究报道，通过引入UV透明电极来减少前光照下的光损失，器件性能得到了改善 [78]。此外，另一项关于AlGaN基MSM PDs的研究报道，背光照下的量子效率高于前光照，支持了这种方法的实用性 [79]。因此，背光照有望成为一种实用的方法，与缺陷控制互补，以改善α-Ga?O?基DUV PDs的性能。

在本研究中，使用HVPE生长的α-Ga?O?制备了MSM结构的DUV PDs，并探索了各种改善器件性能的方法。在研究初期，对生长的α-Ga?O?施加了生长后快速热退火（RTA），以控制与氧空位相关的缺陷 [80]。经过RTA处理的器件显示出改善的整体光电性能。此外，器件特性因光照方向而异。特别地，在背光照下（即光通过衬底进入），光响应特性相比传统前光照（即光直接照射在活性层上）表现出显著改善。这一观察为应对缓慢响应问题提供了一个重要线索。最近的研究也报道了类似的趋势，进一步支持了光照方向的重要性 [81]。这些发现表明，RTA和背光照都可以在改善Ga?O?基DUV PDs的性能方面发挥重要作用。此外，除了改善器件性能之外，所提出的方法预计与现有制备工艺具有高度兼容性，并提供增强的设计灵活性，为开发高性能DUV PDs提供了一种可扩展且实用的方向。在此背景下，本研究分析了与RTA和光照方向相关的器件性能变化，并讨论了其影响和应用潜力。

## 章节摘要

### α-Ga?O?基DUV PD的结构和光照方案

本研究中的DUV PD结构如图1所示。该器件采用典型的MSM结构，由在蓝宝石衬底上生长的200 nm厚异质外延α-Ga?O?层上的交指钛（Ti）和金（Au）电极组成。器件包含一个钝化层以增强运行稳定性和性能，该层由二氧化硅（SiO?）制成。器件根据施加在α-Ga?O?层上的RTA时间制备成四种不同类型：无退火……

### 结论

在本研究中，分析了α-Ga?O?基DUV PDs的光电特性，考虑了RTA条件和光照方向的影响。测量结果表明，RTA处理和背光照都有助于改善器件性能。退火器件（1、3和5分钟）相比未退火器件表现出改善的性能，其中退火5分钟的器件表现出最高性能。尽管存在轻微的单调性变化……

### 模拟

为了研究DUV PD在不同光照方向下的性能差异，进行了有限差分时域（FDTD）光学模拟（ANSYS, Inc.）。图7a展示了模拟示意图，其中定义了器件的周期性区域，具有交指电极结构，以代表整个器件用于模拟效率。在横向方向上应用周期性边界条件来表示重复的交指……

### CRediT作者贡献声明

Yongki Kim：撰写——初稿、可视化、验证、方法论、调查、形式分析、数据整理、概念化。Sunjae Kim：可视化、验证、调查、形式分析、数据整理。Youngkwan Cho：可视化、验证、调查、形式分析、数据整理。Dae-Woo Jeon：资源、方法论。Ji-Hyeon Park：监督、资源、方法论、概念化。Myunghun Shin：撰写——审阅与编辑、监督、资源。

### 资助

本研究由韩国产业技术评价院资助（RS-2022-00154729），由韩国政府（MOTIE）资助，以及由韩国国家研究基金会（RS-2024-00352660）资助，由韩国政府（MSIT）资助。

### 利益冲突声明

作者声明不存在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。

Yongki Kim | Sunjae Kim | Youngkwan Cho | Dae-Woo Jeon | Ji-Hyeon Park | Myunghun Shin

韩国航空宇宙大学电子与信息工程学院及空间系统工程跨学科项目，韩国京畿道高阳市，10540，大韩民国