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尋求更寬的禁帶寬度和更高的材料性能是化合物半導體材料發展的一個重要趨勢。氧化鎵（Ga2O3）半導體具有禁帶寬度大（Eg~4.8 eV）、擊穿場強高（Ebr~8 MV/cm）、Baliga品質因數高（εμEbr3~3444）、生長成本低（可熔融法生產單晶襯底）等突出優點，是用于下一代高壓高功率器件（肖特基勢壘二極管（SBD）、金屬-氧化物-半導體場效應晶體管（MOSFET））和日盲紫外（波長200−280 nm）光電探測器的優選材料之一。高壓高功率器件在整個電能供應鏈中具有顯著的功率變換及節能作用，在工業控制、4C產業（計算機、通信、消費類電子、汽車電子）、新能源、軌道交通、智能電網等領域的應用也十分廣泛。日盲紫外光電探測器同樣具有廣泛的應用價值，可用于紫外（UV）天文學、天際通信、火災監控、汽車發動機監測、氣象監測和環境污染監測等領域。目前國際上對超寬禁帶氧化鎵材料和器件領域的研究正處于起步階段。
中國科學技術大學微電子學院龍世兵課題組主要從事寬禁帶半導體材料，器件以及電路系統研究，包括Ga2O3 SBD、MOSFET功率器件，以及深紫外光電探測器，在這些方面都取得了較好的研究進展。在本系列中，我們將為大家展示課題組在基于氧化鎵的日盲探測器領域的研究進展。研究結果有：
1、開發出了一種具有高性能和柵極可調光檢測能力的非晶氧化鎵日盲場效應光電晶體管。采用磁控濺射這種方法可以在Si基襯底上生長低成本、大面積的非晶氧化鎵薄膜。通過對制備的薄膜晶體管施加適當的背柵電壓，可以很好地控制場效應光電晶體管的暗電流和光響應特性。制成的氧化鎵薄膜場效應光電晶體管具有出色的深紫外光電探測特性，包括4.1×103 A/W的高光敏性， 2.5×1013Jones的高探測率。并首次基于非晶氧化鎵探測器作為單像素實現日盲成像，使得該日盲非晶氧化鎵薄膜場效應光電晶體管有望用于下一代光電成像應用。(Adv. Electron. Mater. 2019, 5(7), 1900389) 此外，該課題組進一步開發了基于非晶氧化鎵探測器的集成技術，制備了32×32的大規模陣列，用于日盲成像，相關成果正在審稿階段。
2、目前報道的氧化鎵深紫外探測器主要是兩端結構器件，而兩端器件不能對溝道電流還有光電響應度提供任何的偏壓控制。作為一種重要類型的探測器，光電晶體管多了一個柵極，可以靈活地控制溝道電流。此外，光電晶體管在在夾斷狀態通常有高的光-暗電流比，因此，如果能獲得增強型MOSFET將會很有利，這將拓寬日盲光電晶體管的有效操作窗口。龍世兵課題組提出在通過MBE生長的硅摻雜同質β-Ga2O3薄膜上制備增強型日盲金屬-氧化物-半導體場效應光電晶體管（MOSFEPT）。采用了柵槽刻蝕工藝實現增強型器件。由于晶體管存在巨大的內增益以及良好的晶體質量，該工作報道的氧化鎵日盲探測器具備高的綜合性能，3×103A/W的響應度，低至100/30ms的上升/下降時間，1.3×1016Jones的探測率，以及1.1×106的PDCR。(IEEE Electron Device Lett., 2019, 40(5), 742-745)
3、通過氯化物輔助MOCVD，調節生長過程中通入HCl的流量，我們在c面藍寶石襯底上成功地生長出了高質量單晶ε-Ga2O3薄膜。通過優化器件結構，該課題組設計了叉指型的平面型肖特基二極管，器件表現出優異的光探測性能，可同時實現高響應度（84A/W）和快速響應（100ms）。氯化物輔助生長可鈍化深能級缺陷，提高了載流子的遷移率和收集效率。(IEEE Electron Device Lett., 2019, 40(9), 1475-1478)
4、針對上述ε-Ga2O3探測器的高響應度，該課題組制備了MSM結構的光探測器，通過研究電流傳輸機制以及原理計算，揭示了器件中的光電流增益機制。氧空位作為類受主缺陷，會捕獲光生空穴，引起空穴積累，從而降低了金屬/半導體接觸勢壘，導致光電流增益。(ACS Photonics, 2020, 7,3, 812-820)
中國科學技術大學龍世兵教授課題組簡介
課題組主要從事寬禁帶半導體氧化鎵材料的生長，器件開發，包括電力電子器件以及紫外探測器件，功率器件模組以及成像系統的開發。主要期望通過優化器件結構的設計，以及完善工藝開發，制備更高性能的功率器件和深紫外探測器件，實現更高的擊穿電壓，更低的導通電阻，更高的響應度和更快的響應速度等。截止目前，龍世兵教授主持國家自然科學基金、科技部（863、973、重大專項、重點研發計劃）、中科院等資助科研項目15項。在Adv. Mater., ACS Photonics，IEEE Electron Device Lett.等國際學術期刊和會議上發表論文100余篇，SCI他引6300余次，H指數44。獲得/申請 100余項，其中9項轉移給集成電路制造企業中芯國際，74項授權/受理發明 許可給武漢新芯。
本研究應用了北京卓立漢光儀器有限公司SCS10-PEC光電化學電池量子效率測試系統如需了解該產品，歡迎咨詢我司。
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