Advanced Optical Materials:鱼与熊掌俱得——高响应度快速恢复的非晶氧化镓深紫外光电探测器

由于不受长波背景辐射干扰,紫外光电探测器在保密通讯、天外星体探查、灾害天气预报、海面油污监测、生物医学检测及杀菌消毒等多个军用及民用领域都有着非常广泛的应用。早期的紫外光电探测器多是基于硅材料,但硅的禁带宽度为1.12 eV,对可见光有强烈的响应,会形成并不需要的噪声信号,因此硅基紫外光电探测器必须要添加滤光片才能正常工作;此外,由于禁带宽度较窄,硅基光电探测器的热噪声较高,必须要严格控制其工作温度。以GaN、SiC、Ga2O3为代表的第三代宽带隙半导体材料,本身对可见光不敏感,并且由于带隙较宽,热噪声很低,特别适合制备紫外光电探测器。其中非晶氧化镓材料禁带宽度为4.9 eV,可利用磁控溅射设备在玻璃、有机聚合物等衬底上低温大面积制备,相比单晶材料具有同质无晶界、成本低廉等优势。在前期的研究工作中非晶氧化镓已经显示出优异的日盲紫外探测性能【Adv. Optical Mater. (2017) 5, 1700454】,通过减少薄膜中氧空位可有效抑制器件的持续光电导现象,大大改善器件响应速度,然而其代价为牺牲器件的响应度。在保证器件响应度的前提下,如何进一步提高器件的响应速度?针对这一问题,中国科学院物理研究所韩祖银和合作者设计了三端结构的紫外光电晶体管,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续光电导现象,获得了具有高响应度并能快速恢复的非晶氧化镓深紫外探测器。相关结果发表在Advanced Optical Materials(DOI: 10.1002/adom.201901833)上。

该研究团队首先在商业化的SiO2/Si衬底上制备了非晶氧化镓光电晶体管,发现由于栅极漏电流的存在,必须对非晶氧化镓有源层进行图形化。此外,商业化的SiO2/Si衬底中,SiO2介电层厚度为300 nm,栅控效果很差,开启电压在50 V以上。氧化铝介电常数为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。然而,在器件制备过程中,使用常规的磷酸溶液对非晶氧化镓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。为解决这一问题,该研究团队开发了一种针对非晶氧化镓薄膜的高选择性湿法刻蚀工艺,通过控制刻蚀条件,保证在非晶氧化镓有源层图形化的过程中不影响底层氧化铝介电层。基于这一技术,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,开启电压得到大幅降低(~5 V),器件响应度高达5.67×103 A/W,光暗比~107。尤为关键的是,通过对栅极施加850 ms的正向脉冲电压,器件的持续光电导得到了有效抑制,从几十秒降低为~5 ms,同时实现了高响应度与快响应速度兼具的目标,进一步推动了非晶氧化镓紫外探测器的发展。