Nano Select:雾化化学沉积法生长氧化镓薄膜及高性能光电晶体管应用

近年来,围绕光电探测系统进行了各种关键技术的研究以实现高性能、低功耗和低成本的光电探测器(PD)。其中,日盲(截止波长<280nm)光电探测器是最有前途的应用之一。由于大气中臭氧层的吸收,地球表面几乎不存在200-280nm波长范围内的紫外线,因此,与其他光电探测技术相比,日盲紫外光电探测器具有误报警率低,灵敏度高,隐蔽性高等优点。迄今为止,通过合金工程调整带隙的材料,如AlGaN,ZnMgO和ZnGaO已应用于日盲紫外光电探测器中。但是,复杂的合金化工艺通常会降低材料的结晶质量,从而限制了探测器的性能。宽带隙半导体材料氧化镓(Ga2O3)由于具有4.7–5.2 eV的禁带宽度,光学吸收截止边对应于深紫外光谱区域(200-280nm)的波长,无需通过复杂的合金化工艺来调节其带隙。同时Ga2O3具有耐辐射,耐高温,化学和物理性质稳定等优点,成为制作紫外光电探测器最具竞争力的宽禁带半导体材料之一。近些年,美日欧等多个研究机构对氧化镓材料的生长及器件应用展开了一系列的研究,足以证明氧化镓材料在半导体器件应用中有着极大的潜力。目前有很多关于制备Ga2O3薄膜的方法,包括:分子束外延(MBE),金属有机化学气相沉积(MOCVD)和卤化物气相外延(HVPE)等。此类生长技术通常设备结构复杂、价格昂贵且耗能高。如何在保证材料高质量生长的前提下同时降低材料的生长成本,对于氧化镓材料的产业化应用具有重大意义。

图1. 雾化化学沉积系统

图2:基于雾化化学沉积系统生长的氧化镓薄膜制作的光电晶体管

最近,西安电子科技大学微电子学院郝跃院士课题组张春福教授、许育博士等发展应用了一种非真空、低成本的雾化化学沉积(mist-CVD)系统,首次在硅衬底上生长了非晶Ga2O3薄膜并制作了性能优异的光电晶体管。与传统的生长方法相比,mist-CVD方法是一种非常简单且具有成本效益的方法,该设备结构简单易操作,主要由雾化源和反应腔室两部分组成,由于不需要真空环境,在常压状态下即可生长薄膜,因此,大大降低了设备的制造成本。同时,Mist CVD技术具有源溶液选择多样性、易于掺杂等优点。课题组研究人员设计研究了雾化源、反应腔结构以及气体输运系统,自主搭建了一套非真空、低成本、简单易操作的mist-CVD设备。通过生长工艺的优化,研究了温场、流场、生长氛围等参数对Ga2O3薄膜质量的影响,在硅衬底上制备了表面纳米级平整、可见光透过率高的Ga2O3单晶薄膜。同时,基于Ga2O3薄膜制作的光电晶体管表现出优异的探测性能,包括较高的响应度2300A/W,量子效率1.12×106和探测度1.87×1014Jones。低成本的薄膜生长方法和优异的器件性能证明了mist-CVD系统生长的Ga2O3薄膜在日盲紫外光电探测领域的巨大研究潜力。作者希望,文章研究的低成本mist-CVD生长技术能够有助于研究人员在Ga2O3材料的生长及器件的实际应用中开拓新的方向,从而推进商业化Ga2O3材料及半导体器件的发展进程。

论文信息:

High performance gate tunable solar blind ultraviolet phototransistors based on amorphous Ga2O3 films grown by mist chemical vapor deposition

Yu Xu, Yaolin Cheng, Zhe Li, Qian Feng, Yachao Zhang, Dazheng Chen, Weidong Zhu, Jincheng Zhang, Chunfu Zhang*, Yue Hao

Nano Select

DOI: 10.1002/nano.202100029