由西安電子科技大學(xué)韓根全教授研究團(tuán)隊(duì)在學(xué)術(shù)期刊 IEEE Electron Device Letters 發(fā)布了一篇名為 Enhanced Photoelectric Performance of β-Ga₂O₃ Phototransistors via NH3 Plasma Pretreatment for Ultra-Sensitive Solar-Blind UV Detection（通過NH₃等離子體預(yù)處理提升 β-Ga₂O₃ 光電晶體管的光電性能，實(shí)現(xiàn)超靈敏日盲紫外線檢測）的文章。

1. 背景

日盲紫外（UV）探測器在火焰探測、空間通信、導(dǎo)彈預(yù)警等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用。β−Ga₂O₃  因其 4.6-4.9 eV 的超寬禁帶和本征日盲特性，成為制備高性能光電探測器的理想材料。傳統(tǒng)的 β−Ga₂O₃ 肖特基或金屬-半導(dǎo)體-金屬（MSM）光電探測器通常由于低光增益而存在響應(yīng)度低的問題。光電晶體管通過柵極調(diào)控提供更高光增益，是實(shí)現(xiàn)超高靈敏度日盲UV探測的有效途徑。然而，β−Ga₂O₃ 基光電晶體管的性能常受限于介電層/半導(dǎo)體界面的缺陷態(tài)，這些缺陷態(tài)會(huì)捕獲光生載流子，導(dǎo)致光響應(yīng)速度慢、暗電流高和光電流不穩(wěn)定。降低界面缺陷態(tài)密度是提高 β−Ga₂O₃ 光電晶體管性能的關(guān)鍵。

2. 主要內(nèi)容

本研究提出了一種具有卓越光電性能的 β-Ga₂O₃ 光電晶體管，其性能通過在 Al₂O₃ 絕緣層沉積前進(jìn)行 NH₃ 等離子體預(yù)處理得到提升。該器件在254 nm紫外光（UV）照射下，實(shí)現(xiàn)了驚人的響應(yīng)度（R）為 1.3×10⁶ A/W，以及創(chuàng)紀(jì)錄的高探測率（D*）為 2.8×10¹⁹ Jones。在 1 Hz 脈沖紫外光源下，該器件展現(xiàn)出快速光響應(yīng)特性，上升時(shí)間（τ_r）為 90 ms，衰減時(shí)間（τ_d）為1 ms。這些優(yōu)異特性歸因于 NH₃ 等離子體在 Al₂O₃/β-Ga₂O₃ 界面引發(fā)的改進(jìn)，包括捕獲密度降低和介電層粘附性增強(qiáng)。研究成果為開發(fā)具有超靈敏、日盲紫外線檢測能力和快速響應(yīng)性能的 β-Ga₂O₃ 光晶體管提供了有前景的途徑。

3. 創(chuàng)新點(diǎn)

● 系統(tǒng)的將 NH₃ 等離子體預(yù)處理引入到 β−Ga₂O₃ 光電晶體管的制備中，以優(yōu)化介電層/半導(dǎo)體界面。

● 通過 NH₃ 等離子體預(yù)處理，有效地降低了 Al₂O₃/β−Ga₂O₃ 界面處的陷阱密度，從而顯著抑制了暗電流。

● 通過XPS、AFM等分析手段，深入探討了 NH₃ 等離子體預(yù)處理如何通過改善表面形貌、形成 Ga-N 鍵和減少氧空位等方式優(yōu)化界面的具體機(jī)制。

4. 結(jié)論

本研究提出將 NH₃ 等離子體預(yù)處理作為提升 β-Ga₂O₃ 光電晶體管性能的有效方法，旨在解決Al₂O₃/β-Ga₂O₃ 界面處界面陷阱這一關(guān)鍵挑戰(zhàn)。通過化學(xué)鈍化表面缺陷，該方法顯著提升了介電層附著力并降低了陷阱密度。因此，光電晶體管實(shí)現(xiàn)了創(chuàng)紀(jì)錄的D^∗值為 2.8 × 10¹⁹ Jones，高R值為 1.3 × 10⁶ A/W，以及超快光響應(yīng)時(shí)間，其中 τ_r 為 90 ms，τ_d 為 1 ms。這些結(jié)果凸顯了該器件在弱光條件下對紫外線（UV）的卓越靈敏度和可靠性。在此基礎(chǔ)上，未來通過引入 HfO₂ 和 ZrO₂ 等高介電常數(shù)材料，可進(jìn)一步提升光電晶體管的光電轉(zhuǎn)換效率。

圖1. (a)示意圖和(b)光學(xué)顯微鏡圖像顯示的β-Ga₂O₃ 日盲光電晶體管。 (c) β-Ga₂O₃ 外延薄膜的透射光譜。 (d)Al₂O₃/β-Ga₂O₃ 樣品的 Ga 3d 核心能級 XPS 光譜，包括有無 NH₃ 等離子體預(yù)處理的情況。

圖2. 光電晶體管的雙掃移轉(zhuǎn)曲線：（a）未處理和（b）經(jīng) NH₃ 處理。 （c）光電晶體管在兩個(gè)靜態(tài)偏壓下測得的脈沖輸出曲線比較：（c）未處理和（d）經(jīng) NH₃ 處理。

圖3. (a) 在254 nm波長下，不同光強(qiáng)照射下光電晶體管的傳輸特性。(b) I_ph、(c) PDCR和EQE以及(d) R 和 D* 在光功率密度中的關(guān)系。

圖4. (a) 在不同柵極電壓（V_G）下測得的噪聲功率譜。 (b) 1/f 噪聲下 D* 對頻率和柵極電壓（V_G）的依賴關(guān)系。 (c) 光電晶體管的歸一化時(shí)間依賴性漏極電流曲線。 (d) 在紫外光照射下 Ni/Al₂O₃/Ga₂O₃ 層的能帶圖。

圖5. 本研究中 D* 與 τ_d 的對比結(jié)果與其他已報(bào)道的 PDs 的對比。

DOI：

doi.org/10.1109/LED.2025.3545485

本文轉(zhuǎn)發(fā)自《亞洲氧化鎵聯(lián)盟》訂閱號