超高性能非晶态 Ga 2O3光电探测器，是怎样用于日盲成像的？

旅途观光

文 |言上月
编辑 | 言上月

由于在现代工业和农业中的广泛应用，光电探测器（PD）、发光 二极管、和其他光电器件近年来引起了人们的广泛关注。
随着新兴宽带隙半导体的发展，如BN、AlxGa1− xN、Ga2O3 和SiC，大量的研究兴趣集中在日盲PD（SBPD）上，因为它们具有出色的辐射硬度、高热稳定性和化学稳定性，以及在日盲区的有效吸收。

在这些材料中，Ga2O3的吸收截止波长低于280 nm，无需合金化即可覆盖几乎整个日盲区范围，这些特殊性质使 Ga2O3成为 SBPD 的有前途的候选者。
最近，已经报道了基于不同类型的Ga2O3 PD 的重大突破，P型半导体，如GaN和NiO，用于与Ga2O3制备p-n异质结对光电检测的使用。
通过优化p型GaN薄膜上掺杂Sn的n型Ga2O3的生长条件，构建了具有出色光敏性能的自驱动UV PD。
三端光电晶体管是构建具有高固有增益的高灵敏度PD的另一种选择，正如之前几项工作所证明的那样，Ga2O3中很容易实现高响应率( R ) 和抑制比 光电晶体管。

此外，响应速度可以通过栅极端子进行调制，肖特基结也常用于Ga2O3 PD。
利用MgO制造基于β-Ga2O3 /MgO异质结构的光电晶体管，实现了高性能，例如2.4×10 7 AW-1的超高响应度和1.7×10 15琼斯的比探测率。
构建了基于β-Ga2O3微薄片的日盲光电晶体管，超高检出率1.19×10 18Jones使其极其适合弱光检测。
并采用高k电介质氧化铪(HfO2 )构建了非常出色的金属氧化物半导体场效应光电晶体管。

制造的设备实现了创纪录的1.1×10 19琼斯探测率、1.4×107AW -1的极高响应度以及16毫秒的短衰减时间。
如果进一步优化暗电流，高速和高探测率可以实现实时成像。
特别是，金属-半导体-金属 (MSM) PD 可以用最简单的工艺制造，除了其普通结构外，MSM PD 不需要形成欧姆接触，这通常涉及复杂的掺杂过程。
此外，MSM PD也不需要器件隔离，即使采用这种简化的制造工艺，MSM PD 也可以很好地保持其高性能，例如低噪声和高增益带宽积。

然而，很少有关于用于日盲成像的大面积Ga2O3 PD 阵列的报道，大面积Ga2O3PD 图像传感器阵列的主要挑战在于难以生产大尺寸 Ga2O3薄膜以及在集成中保持其高度均匀性。

已经尝试了多种方法来生长用于高性能PD的Ga2O3薄膜，例如分子束外延，金属有机化学气相沉积，磁控溅射和脉冲激光沉积。
其中，磁控溅射特别适用于具有光滑表面的高成本效益和大规模 Ga2O3薄膜沉积，据报道高性能Ga2O3 PD。
在实际应用中，单像素成像存在扫描速度慢、空间识别差等缺点，但也有令人满意的UV光电检测性能，峰值响应度和暗电流分别为4 AW -1和0.23 nA。

然而，线阵器件参数的均匀性并不理想需要改进布线方法以促进PD的集成。
基于这些高灵敏度的 PD，利用图像传感器阵列中的高灵敏度和均匀像素，获得了具有高对比度的日盲成像。

图 1，支持信息，显示了设备结构图，在形成 Ti/Au 叉指电极后，该器件在氮气气氛中进行后退火 (PA)。

图1
根据X射线衍射（XRD）图谱的结果，退火后的Ga2O3薄膜明显为非晶态。
如图中的紫外-可见光透过率1b，退火后的a -Ga2O3薄膜在日盲带具有很强的光吸收。

图1（b） 透射光谱
通过 Tauc 方法提取的光学带隙为4.98 eV，采用扫描电子显微镜 (SEM) 和原子力显微镜 (AFM) 获取退火后的a -Ga2O3薄膜的表面形貌信息。
表面光滑，均方根表面粗糙度为 1.67 nm，从几十纳米大小的 SEM 表面形态图像中可以识别出明显的纳米颗粒形态。
简而言之，退火的a -Ga2O3磁控溅射生长的薄膜表面形貌光滑、均匀性高，为大规模阵列制备奠定了坚实的基础。
X射线光电子能谱(XPS)用于表征退火后的-Ga2O3薄膜的成分信息，图1c显示相应的 XPS O 1s 核心级光谱。

图1（c） O 1s
O І、OІІ和OІІІ分别对应于金属氧化物键、氧空位相关键和表面氢氧化物相关键，并用它们对应的峰面积比来表示各组分的比例。
强度比为O ІІ /(O І +O ІІ) = 44%，这表明在退火的a -Ga2O3薄膜中存在高浓度氧空位 ( V O s)。
在 Ga 2p 3/2光谱中，Ga1+的两个分量Ga 3+和Ga 3+分别与Ga2O和Ga2O3结合。
退火后的a -Ga2O3薄膜中Ga2O 物种的百分比高达 Ga 1+ /(Ga 1+ +Ga 3+ ) = 52.5%，这证实了缺氧情况。

能量色散 X 射线光谱 (EDS)
基于O1s和Ga2p3/2的峰面积比，退火的a -Ga2O3的O/Ga比被计算为≈1，小于1.5 的化学计量比。
还进行了能量色散 X 射线光谱 (EDS) 以验证退火的a -Ga2O3的化学成分，并研究了 O/Ga 比率的统计分布。
还分析了沉积的a -Ga2O3薄膜的 XPS 研究，如图1a、b所示 ，支持信息。

图1（a）退火后的a -Ga 2 O 3薄膜的 XRD 图和(b) 中的插图是 Tauc 图
VO相关OІІ与Ga2百分比的比值O物种分别为41%和49.3%，表明退火过程导致V2O 浓度增加。
数字 1e显示退火的a -Ga2O3薄膜的阴极发光 (CL) 光谱。

图1（e） 退火后的a -Ga2O3薄膜的CL光谱
没有观察到带边发射，表明存在大量补偿深能级陷阱，CL光谱显示出宽蓝色发射，两个峰以高斯拟合获得的461 (2.7 eV)和550 nm (2.3 eV) 为中心。
沉积的a -Ga2O3薄膜的CL光谱也显示出宽蓝色发射, 但与退火薄膜相比, 发射峰的红移强度低得多。
蓝色发射与供体态电子和受体态空穴通过中性缺陷（通常为VO）的复合过程有关。
因此，退火后的a -Ga2O3薄膜蓝光发射的增强可能源于退火后VO浓度的增加，其可以作为有效的载流子复合中心。

使用254 nm深紫外光研究了PAa -Ga2O3 SBPD的光电探测特性，PA a -Ga2O3PD 在黑暗中和被不同的254 nm光强度激发的半对数电流-电压( I-V )特性。
暗电流低至0.3pA，当用70μWcm -2的光照射PD时，在5V时获得超过10μA的大光电流。
光电流随着光强度的增加而增加，根据等式，在5 V偏压下实现了3.9 ×10 7的极高的PDCR。
显示了灯反复打开和关闭时的电流与时间响应特性，由于在较高电压下电场较高，可以收集更多载流子，并且观察到光电流随电压增加而增加。
如图3b，瞬态光响应由254 nm脉冲光激发在5 V下进行，上升时间小于 1 ms。

图3（b） 10 ms 254 nm 脉冲光激发在5V下获得的瞬态光响应特性曲线
衰减过程可以很好地拟合方程：
其中I0、t、A和B表示稳态光电流、时间和常数，τd1和τd2分别表示快速和慢速弛豫时间常数，PD 的τd1 /τ d2推导出为18/91 ms。
PA a -Ga2O3SBPD 通过一些关键品质因数进行定量评估，包括R、D* 和外部量子效率(EQE)，根据等式：
其中P λ 和S表示PD的光强度和有效面积，当Pλ = 70µW cm -2时， R在 5 V 时高达 733 AW -1。
因此，已经实现了R/τ>104的极高增益带宽积，表明该器件具有非常高的整体性能。
PD最基本的性能指标，即灵敏度，传统上以噪声等效功率(NEP) 为例。
一般来说，更推荐使用D *来评估不同尺寸和带宽的PD对弱信号的感知能力，基于测得的 R和噪声谱密度如图 3c。

图3（c） PD 在黑暗中各种偏置电压下的噪声光谱功率密度
3.9 × 10 16 Jones 的超高D *在5 V和1 kHz下根据以下关系实现：
其中B和in分别表示带宽和噪声电流，噪声等效功率(NEP)估计低至 3.5 fW Hz -1/2，表明该PD可以检测强度低至18 pW cm-2的254 nm光。
这表明该器件具有提供相对于噪声电流的超高信噪比的强大能力，1/ f噪声在很宽的频率范围内主导着该 PD 的噪声。
制造的a -Ga2O3 SBPD的噪声功率密度遵循相同的趋势，但噪声更大。
由于1/ f噪声通常源于载流子的捕获和去捕获过程，PA a -Ga2O3 SBPD 中1/ f噪声的抑制表明退火过程钝化了Ga2O3薄膜的电子陷阱，根据 SCLC 结果。
EQE 由以下因素决定：
其中 h、c和λ分别是普朗克常数、光速和波长，在设备中，EQE 可以达到 4.1 × 10 5 %。
然后，推导出这些在不同光强度下的品质因数，如图所示 3d,和图3e.

图3（d） 光电流、PDCR

图3（e） R , D ∗与光强度的关系
光电流和 PDCR 几乎随光强度线性增加，R和D * 首先随光强度增强。
然而，由于光吸收饱和或增益相关缺陷态在较高光强下的完全填充，R和D * 在较高光强下缓慢增加。
图 3f显示线性坐标中 5 V 时 SBPD 的波长相关光响应。

图3（f） PD 在 5 V 时的波长相关光响应
该器件分别在245和263 nm处达到其最大响应率和截止波长，图的插图3f呈现归一化R与波长的半对数图。
紫外/可见光响应抑制比( R 245 nm / R 400 nm )为5×10 3，制造的a -Ga2O3 SBPD的光电特性也进行了测量。
显然，PA a -Ga2O3 SBPD的性能与原样和大多数先前报道的Ga2O3 PD相比具有很大的优势。
自然地，特别有必要通过后退火工艺弄清楚 a - Ga2O3 SBPD 出色的光电探测性能背后的潜在机制。

PA a -Ga2O3 SBPD 的卓越性能预示着它们在图像传感器中的巨大应用潜力。
为了验证这一前景，SBPD被集成并扩展为大型32×32图像传感器阵列，如图5所示。

图5
其中，a) 制造的 32 × 32 a -Ga 2 O 3图像传感器的示意图。插图是阵列中单个像素的放大图片。b) 图像传感器的分解示意图。c) 光束运动测量成像操作示意图。d) 光束在运动过程中不同位置的输出图像演示
一个像素的放大图也如图所示 5a. 在图像传感器阵列中，通过使用磷酸 (H 3 PO 4 )对a -Ga2O3层进行湿法蚀刻来隔离每个像素。

每个像素的大小为400 µm×440 µm，间距为180 µm，a -Ga2O3阵列的结构图分别在图 5b，图像传感器阵列的制造过程的细节可以在实验部分找到。
通过将开关晶体管串联到阵列中的每个像素，可以潜在地减轻这种串扰问题。
目前的图像显示出出色的识别能力，验证了Ga2O3 PD在未来用于显示和跟踪应用的日盲成像技术中的应用潜力。

通过创新的后退火工艺展示了超高性能 MSM a -Ga2O3 日盲光电探测器。

该光电探测器在日盲区表现出卓越的灵敏度，包括733 AW -1的极高R 、3.9 ×10 7的 PDCR和3.9 × 10 16 Jones的超高D *。
由于后退火提高了薄膜质量，包括更高的电子迁移率、更低的电子陷阱密度和增强的光激发载流子复合，0.3 pA 的极低暗电流和τr 或 τd1的短衰减时间 = 1/18 ms 在5V偏压下在我们的设备中实现。
势垒高度的降低导致了光电探测器的巨大内部增益。

光学模式识别
在此过程中，氧空位对内部增益有贡献并促进电子-空穴复合过程以快速恢复光电探测器。
值得注意的是，报告一种基于高性能 PA MSM a -Ga2O3 SBPD的大规模、高均匀性32×32图像传感器阵列，它具有出色的光学模式识别能力。
这项工作可能为大规模和高分辨率Ga2O3铺平道路光电器件集成，应用于光通信、数字显示、人工智能视网膜等领域。

来源：http://www.yidianzixun.com/article/0oqQyBPs
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