兼具高响应度和快速恢复的氧化镓光电探测器
中科院物理所2020-03-24 14:11
图片来源：Unsplash
撰稿 | 隋文
01
导读
紫外光电探测器在保密通讯、天外星体探查、灾害天气预报、生物医学检测等多个军用及民用领域都有着非常广泛的应用。
近年来，双端氧化镓（Ga2O3）光电探测器(PDs) 被广泛研究，但由于氧化物半导体材料中普遍存在大量的氧空位(Vo)缺陷，由光照产生的光电导在光照撤除后长时间保持不变，这种持久光电导(PPC) 效应会导致双端Ga2O3光电探测器的响应速度较慢，进而阻碍了器件性能的提升。
近日，针对这一普遍存在的问题，中国科学院物理研究所梅增霞和梁会力等人设计了三端结构的非晶氧化镓（a-Ga2O3）紫外光电晶体管，通过对栅极施加850 ms的正向脉冲电压，有效抑制了器件的持久光电导现象，得到具有高响应度且能快速恢复的a-Ga2O3深紫外探测器。
02
背景介绍
当下针对a-Ga2O3紫外光电探测器或成像应用，迫切需要对光电晶体管结构制备与器件应用进行深入研究，以很好地抑制PPC并提高响应速度，同时保持高的光响应率。
与传统的双端光电探测器相比，三端光电晶体管可以灵活地控制信道载流子的传输行为，被认为是提高光电探测器性能的一种有效途径。
一方面，因综合了晶体管和常规光电导体的固有增益，光电晶体管可以有效的提高光暗电流比和响应率。
另一方面，根据Jeon等人在GIZO/IZO/GIZO三端光敏传感器阵列中的报道，通过在第三端门上施加门脉冲可以有效的消除PPC效应。借此，光电探测器的响应速度有望得到显著提升。
此外，a-Ga2O3通道对金属和其他氧化物的可控选择性刻蚀是实现低栅漏电流和良好传输特性的关键。然而，在现阶段的器件制备过程中，使用常规的磷酸溶液对a-Ga2O3进行图形化的过程中难以避免会刻蚀底层氧化铝，严重影响了器件性能及良品率。
为解决这一技术难题，该团队开发了一种针对a-Ga2O3的高选择性湿法刻蚀工艺，通过控制刻蚀条件，可以有效的保证底层氧化铝介电层在a-Ga2O3图形化的过程中不受影响。
基于以上结构创新和制备工艺的改良，该研究团队在石英衬底上成功制备了以氧化铝为介电层的底栅型非晶氧化镓薄膜光电晶体管。
此器件在254 nm UV照射下表现出优异的性能，如响应度高达5.67×103A/W，光暗比~5×107，检测率高达1.87×1015Jones。
更值得注意的是，通过对器件栅极施加850 ms的正向脉冲电压，其持久光电导PPC得到了有效抑制，从几十秒降低为~5 ms，成功实现了高响应度与快响应速度兼具的目标，有效推动了非晶氧化镓紫外探测器的进一步发展。
03
创新研究
3.1
TMAH溶液的选择性刻蚀
四甲基氢氧化铵（TMAH）溶液的选择性刻蚀能力对薄膜晶体管（TFT）器件的制作至关重要。
实验表明，在60℃的0.24% TMAH溶液中，a-Ga2O3与氧化铝（Al2O3）的选择性蚀刻率比值为17:1，这保证了a-Ga2O3 TFTs在制备过程中具有足够宽且易于控制的操作区域。
通过与H3PO4溶液对比，进一步证实了TMAH溶液的刻蚀效果。如图1. 所示，两种情况下的三维激光扫描共聚焦显微镜横断面图表现出了高度相似性，说明TMAH溶液对a-Ga2O3薄膜的蚀刻效果与H3PO4相当。
而TMAH几乎不能刻蚀金属和Al2O3的优点使a-Ga2O3通道对金属和其他氧化物的可控选择性刻蚀成为可能。
图1. TMAH和H3PO4对a-Ga2O3薄膜的蚀刻的影响
3.2
图案化a-Ga2O3可优化器件性能
在SiO2/Si衬底上分别制备了有图案和无图案的a-Ga2O3通道的常规底栅TFTs，如图2a.所示。两种器件的电学特性(图2b.)表明，有图案的a-Ga2O3通道的TFT呈现典型的n型传输曲线，且泄漏电流极小，而无图案的a-Ga2O3通道的TFT表现出异常的传输行为。
因此，采用UV和TMAH刻蚀相结合的工艺对a-Ga2O3通道层刻蚀是必要的。
图2. 有图案和无图案的a-Ga2O3通道的 (a) 薄膜晶体管结构图. (b) IDS–VGS和IGS–VGS
3.3
脉冲偏压可抑制光电导效应
与SiO2/Si衬底相比，Al2O3介电常数为8.5，相比SiO2具有更优秀的栅控能力，常作为介电层材料用在薄膜晶体管中。
如图3. 所示，基于石英衬底，在Al2O3介电层上制备了具有底栅交错结构的a-Ga2O3 TFT。
在UV 254 nm光照下，该器件表现出良好的电学性能，开/关比高达107，响应度高达5.67×103A/W，探测率为1.87 × 1015Jones。
在实现高响应率后，为进一步减小光电导效应PPC，在源漏电压（VDS）保持10V的情况下，施加一个脉冲宽度为850 ms的20V正栅偏置，源漏电流(IDS)曲线首先出现瞬时尖峰，当栅极电压复位至0 V时，立即恢复到原始≈1010A水平，说明有效的栅极控制很好地抑制了PPC现象。
图3. (a) 石英上的a-Ga2O3光电晶体管的结构示意图及电学特性. (b)脉冲抑制PPC及衰变时间
3.4
能级能带机理分析
如图4a.所示，在UV照射之前，TFT工作在低关断电流的耗尽区，因为在这种情况下既不会形成电通道，也不会形成光生载流子。
在紫外光照射下，电子从价带被激发到导带，较深的中性Vo缺陷被电离成浅层的供体Vo2+或Vo+，这两种缺陷都对源极和漏极之间的电流有很大的贡献。
如图6b.所示，在负栅偏压下，空穴和电离的浅层施主被捕获在通道/介电界面上，而电子被推向体膜和后通道。
因此，在没有光照的条件下，上述由负栅偏压引起的Vo2+与光生电子的物理分离会抑制Vo2+态迅速恢复到中性Vo态(图6c.)，使薄膜仍然保持低电阻率。
在门脉冲偏置为正的情况下，电子容易在前通道附近聚集(图6d.)。这些积累的电子极大地促进了Vo2+态的中和，从而使器件从PPC态快速恢复。
图4. 能级能带机理分析
04
应用与展望
本文介绍了利用四甲基氢氧化铵(TMAH)水溶液选择性刻蚀a-Ga2O3通道的底栅a-Ga2O3TFTs和光电晶体管。
这种新的蚀刻方法具有成本低、操作简单、安全性好、与光刻的相容性好等优点，有望在未来得到广泛应用。
对于硅基底上常见的底栅a-Ga2O3TFT，带图案沟道的器件比无图案的器件具有更好的晶体管特性。在石英基底上的a-Ga2O3型TFT显示出优良的n型TFT性能，通断比高达≈107。
它可以被进一步应用于光电晶体管，以减少持久的PPC效应，同时保持高响应。
在a-Ga2O3紫外光电晶体中，PPC现象可藉由施加正闸脉冲而有效抑制，而正脉冲可将衰减时间大大缩短至5 ms，这为a-Ga2O3进入影像应用提供可能。
该研究成果以“BoostedUV Photodetection Performance in Chemically Etched Amorphous Ga2O3Thin-Film Transistor”为题发表在《Advanced Optical Materials》。【点这里查看原文】
来源：长春光机所 Light学术出版中心
编辑：Dannis
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