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與單晶或多晶Ga2O3相比，非晶Ga2O3材料具有明顯的成本優勢。本研究開發出了一種具有超高性能和柵極可調光檢測能力的非晶Ga2O3日盲場效應光電晶體管，并對其光電性能進行了全面調研。射頻磁控濺射用于在經濟的Si/SiO2襯底上沉積非晶GaOx薄膜。通過施加適當的背柵電壓（VG），可以很好地控制場效應光電晶體管的光電性能和暗電流。制成的日盲型GaOx薄膜場效應光電晶體管具有出色的深紫外光光電探測特性，包括4.1×103 AW-1的超高光敏性，2.5×1013 Jones的高探測率，以及極高的外量子效率。在70 µW cm-2的254 nm的弱光照下，外量子效率為2×106％，光電導增益為1.6×107。還揭示了光檢測特性取決于偏置電壓和光強度。另外，成功地展示了GaOx光電晶體管作為感測像素的日盲成像功能。獲得了目標的清晰圖像，這是有關非晶GaOx 探測器日盲成像的始發報道。這些結果，加上其易于制造和低成本，使得該日盲非晶GaOx薄膜場效應光電晶體管有望用于下一代光電成像應用。
柵極可調非晶Ga2O3薄膜光電晶體管器件結構
柵極可調光檢測能力的非晶Ga2O3日盲場效應光電晶體管如圖1所示。為了確定非晶GaOx膜的特性，進行了X射線衍射（XRD），掃描電子顯微鏡（SEM）和原子力顯微鏡（AFM）測量，實驗表明，沉積的GaOx膜具有平坦表面和高均勻性。
圖1.非晶態GaOx薄膜場效應光電晶體管的結構示意圖和非晶態GaOx薄膜的物理特性。(a)制成的GaOx光電晶體管的橫截面圖像(b)濺射沉積的非晶態GaOx薄膜的X射線衍射曲線，(c)截面掃描電子顯微鏡圖像，(d) 二維原子力顯微鏡圖像。
非晶Ga2O3薄膜光電晶體管的電光響應特點
圖2(a)展示了濺射非晶GaOx薄膜的O1s軌道能級的X射線光電光譜光譜（XPS）。根據高斯擬合分析法，O1s峰通常可以分為三個分量：O?，O??，和O???。峰面積用于表征每種成分的強度，強度比經計算為O??/(O?+O??)=59.3％，這表明濺射非晶GaOx膜中存在許多氧空位。為了進一步表征濺射非晶GaOx膜的材料特性，一種具有Au(50nm)/Ti(20nm)GaOx(200nm)/Ti(20nm)/Au夾心金屬-絕緣體金屬結構的器件（50nm）被制造并且在黑暗中測量其電特性。使用空間電荷限制電流（SCLC）模型擬合I-V曲線，并計算非晶態GaOx膜的缺陷密度和載流子遷移率。如圖2(b)所示，雙對數I-V曲線可分為三種狀態：1）歐姆區域，斜率為1；2）陷阱填充區域，斜率超過3；以及3）無陷阱區域，斜率為2。
圖2. 濺射非晶GaOx膜的X射線光電光譜光譜和基本電學特性。(a) XPS O1s核心級光譜，(b)黑暗環境下雙對數坐標的I-V曲線以及與空間電荷限制電流（SCLC）模型的擬合。插圖顯示了測試結構的橫截面圖。
為了探索非晶GaOx薄膜光電晶體管的光電特性，在254 nm 深紫外光光照射下進行了光電性能測量，如圖3所示。在測量過程中，重復打開和關閉深紫外光，器件在重復操作過程中顯示出出色的可重復性和穩定性。上升時間τr和衰減時間τd分別為50秒和400秒以上。通過比較這些值，我們繪制了響應度和EQE作為VG的函數，如圖3(e)所示。顯然，當VG從−40 V增加到20 V時，R和EQE減小，這表明了VG對光電性能的出色調制能力，實際應用中，關注的工作機制是GaOx光電晶體管的耗盡區域。圖3(f)顯示在VG=−30 V和VDS = 2 V時該器件的歸一化光譜響應。該器件在約240 nm處達到其峰值響應度。截止波長為280nm。紫外線/可見光的拒絕比率（R240/R400）約為1×102，這表明光電探測器對日盲紫外線具有相對較高的光譜選擇性。
圖3. 非晶態GaOx薄膜光電晶體管的電氣和光電特性。(a)不同VDS下測得的IDS-VG傳輸特性。(b) 暗環境下，IDS-VDS的輸出特性 (c)在不同VG下測得的IDS-VDS輸出特性。(d)隨時間變化的光響應。(e)在不同的VG下的響應度（R）和外部量子效率（EQE）。(f)歸一化的光譜響應度。插圖顯示了對數標度的響應光譜。
除了柵極電壓以外，光響應特性還受光強度的影響，如圖4（a）所示，光電流隨著光強度的增加而增加。此外，研究了不同光強度下隨時間變化的光響應特性，圖4(b)，同時，在隨時間變化的光響應曲線中，還發現光電流隨著光強度的降低而降低。如圖4(c)所示，隨著光強度從22 µW cm-2增加到87 µW cm-2的探測率，響應度和EQE降低，與以前的報道相似。這種現象可能部分歸因于熱效應引起的載流子散射，部分歸因于非晶GaOx薄膜在高光強度下的吸收飽和。
圖4.光強度對光電性能的影響。(a)在不同光強度下IDS-VDS特性。(b)在不同光強度下器件隨時間變化的光響應。(c)光電流和探測率為光強度的函數。(d)響應度和EQE與光強度的關系。
基于非晶Ga2O3薄膜光電晶體管的成像驗證
為了驗證成像感測功能，使用非晶GaOx薄膜光電晶體管作為感測像素，實現了投影到日盲成像系統上的光學圖案的識別。成像系統的示意圖如圖5(a)所示。GaOx光電探測器被用作單點狀成像元件以檢測深紫外光光。由于所制造的非晶態GaOx光電探測器的超高性能和出色的穩定性，獲得了清晰的字母“CAS”圖像。圖5(d)紅色虛線的灰度值，表明通過將非晶GaOx光電晶體管用作感測像素可以實現具有高保真度的清晰圖像。這些結果為制備用于實時成像的Ga2O3成像陣列鋪平了道路，并使Ga2O3 深紫外光光電探測器成為將來有前景先進光電系統的組成部分。
圖5. 非晶態GaOx薄膜光電晶體管的日盲UV成像。(a)使用基于非晶Ga2O3的光電晶體管作為感應像素的日盲成像系統的示意圖。(b)在光罩上帶有字母“ CAS”的物體圖像。(c)從日盲成像系統獲得的圖像。(d)沿(c)中標記的線的灰度值。
結論
本研究中的非晶GaOx薄膜光電晶體管的主要參數，例如響應度，探測率，外量子效率和光電導增益，均比基于二維 β-Ga2O3納米片、Ga2O3納米帶、以及Ga2O3納米線和微米線探測器好得多。此外，非晶GaOx光電晶體管還比基于薄膜Ga2O3的MSM PD表現出更好的性能。如此高的性能以及低成本和易于制造的工藝，使得非晶GaOx薄膜光電晶體管在未來的光電系統中具有很大的潛力，可用于陣列光電探測器和成像器。
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項轉移給國內大的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。
文章信息
這一成果以“Amorphous Gallium Oxide-Based Gate-Tunable High-Performance Thin Film Phototransistor for Solar-Blind Imaging”為題發表在Advanced Electronic Materials上, 中國科學技術大學覃愿為作者，龍世兵教授為通訊作者。
文章信息：Advanced Electronic Materials, 2019, 5, 1900389.
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