近日，電子科學與技術學院楊偉鋒教授團隊在第四代半導體氧化鎵（β-Ga2O3）外延生長技術和日盲光電探測器制備方面取得重要進展。相關研究成果在IEEE微電子器件制造領域的多個學術期刊(IEEE Transactions on Electron Devices、IEEE Sensor Journals、IEEE Photonics Technology Letters)上發表，這些研究成果為β-Ga2O3異質外延薄膜的大面積生長和高性能的器件應用提供了重要支持。
圖1 氧化鎵材料MBE異質外延生長機理研究和材料表征分析圖。
(詳情請見IEEE Sensor Journals DOI 10.1109/JSEN.2024.3373252)
β-Ga2O3材料因其本征日盲光吸收(254 nm)，簡單二元組成，帶隙可調，制備工藝簡單等優勢在日盲光電探測器領域受到廣泛關注。在β-Ga2O3薄膜生長方面，研究團隊利用分子束外延技術（MBE）實現了高質量、低缺陷密度的外延薄膜生長。并通過改變反應物前驅體和精密控制生長參數，成功實現了β-Ga2O3外延薄膜的均勻生長和優良的晶體質量，有力地推動了β-Ga2O3薄膜的高質量異質外延的發展。同時，研究團隊還通過對MBE外延生長過程中的β-Ga2O3薄膜生長機制進行詳細探究，揭示了其成核、生長的差異性，并建立了相對應的外延生長機理模型圖。研究成果如圖1所示。
圖2 CuCrO2/β-Ga2O3 p-n異質結光電探測器結構、性能和能帶示意圖。
(詳情請見IEEE Transactions on Electron Devices DOI 10.1109/TED.2024.3373382)
在β-Ga2O3日盲光電探測器制備方面，研究團隊基于II型能帶結構制備的CuCrO2/β-Ga2O3 p-n異質結型的自供電日盲光電探測器具有6.5 pA的低暗電流、5.7×104的高光暗電流比、50 mA/W的高響應度、3.7×1012 Jones的高探測率和24.6%的高外量子效率，優于大多數報道的基于β-Ga2O3的異質結光電探測器。研究成果如圖2所示。另外，研究團隊在MBE異質外延β-Ga2O3生長機制的基礎上，結合半導體光電響應原理，探究了異質外延β-Ga2O3薄膜日盲光電探測器的性能指標。研究團隊利用臭氧作為前驅體所制備的金屬-半導體-金屬結構日盲光電探測器表現出7.5 pA的暗電流、1.31×107的光暗電流比、1.31×1015 Jones的比檢測率和 53 A/W的光響應度，表現出相當優異的對日盲紫外光的探測性能。同時針對外延薄膜光電探測器暗電流大的不足，研究團隊在金半界面處引入了鈍化層改善器件性能：利用AlN/β-Ga2O3界面工程對金半界面處的載流子傳輸進行調控，所制備的金屬-絕緣體-半導體-絕緣體-金屬（MISIM）結構的日盲光電探測器實現了響應度和響應速度的同時優化。具有 3 nm AlN 層的光電器件表現出482 A/W 的響應度、2.48×1015 Jones 的比探測率和0.10 s 的快下降時間。研究成果如圖3所示。
圖3 氧化鎵MSM和MISIM日盲深紫外光電探測器光電探測性能和能帶圖。
(詳情請見IEEE Sensor Journals DOI 10.1109/JSEN.2024.3373252, IEEE Photonics Technology Letters 36, 593-596 (2024))
研究團隊在β-Ga2O3材料和器件的研究進展為超寬禁帶半導體在日盲深紫外探測器領域的應用和發展提供了技術參考，推動超寬禁帶半導體基光電子技術的創新發展，為構建低噪聲、高光響應的光電子器件開拓了研究途徑。
三篇論文的第一署名單位均為廈門大學，第一作者分別是2021級博士生田成義和2021級碩士生張傳倫（并列第一）、2022級碩士生林嘉隆、2021級碩士生張傳倫，唯一通訊作者均為我院楊偉鋒教授。課題組研究得到了國家自然科學基金項目、福建省“閩江學者”項目和廈門“雙百人才計劃”和福建省“*專百人計劃”項目的支持。
（來源：集微）