氧化鎵（Ga2O3）因其超寬的帶隙和高臨界擊穿電場(chǎng)，可滿足當(dāng)前器件大功率和微型化的發(fā)展需求，已成為新一代電力電子和光電器件的熱門材料。目前日盲紫外光電探測(cè)是Ga2O3的一個(gè)重要應(yīng)用，而提高其光電探測(cè)性能是Ga2O3研究的熱門話題之一。由于表面是器件中載流子傳輸和信號(hào)捕捉的主要部分，對(duì)表面的調(diào)控會(huì)在很大程度上改變器件的性能。然而，表面作為一個(gè)非常薄的有源層，難以實(shí)現(xiàn)對(duì)其有源通道特性的穩(wěn)定控制。目前，人們已經(jīng)探索并使用了許多表面調(diào)控方法來提高光電探測(cè)器的性能，其中引入局部表面等離激元和局部表面肖特基結(jié)是最常見的方法之一，但這種方法成本相對(duì)較高，操作也比較復(fù)雜。南京郵電大學(xué)唐為華教授研究團(tuán)隊(duì)提出了一種用于調(diào)控Ga2O3薄膜的表面電子結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)單而廉價(jià)的熱重組工程，從而進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對(duì)其光電性能的調(diào)控。研究成果以“Tunable Ga2O3 solar-blind photosensing performance via thermal reorder engineering and energy-band modulation”為題，發(fā)表在IOP Publishing 《Nanotechnology》期刊上。
南京郵電大學(xué)唐為華教授課題組采用低成本、生長速度較快的等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法（PECVD）生長了四組Ga2O3薄膜，將其中的三組薄膜分別在真空、氧氣和氧等離子體中使用1000 ℃的高溫退火1小時(shí)。通過對(duì)四組Ga2O3薄膜帶隙的擬合和X射線光電子能譜（XPS）分析（如圖1所示），發(fā)現(xiàn)熱重組使得Ga2O3薄膜表面的能帶結(jié)構(gòu)（包括禁帶寬度和價(jià)帶位置）發(fā)生了不同程度的改變。圖2為對(duì)四組薄膜O 1s的分峰擬合結(jié)果，其中OI表示晶格氧，OII表示薄膜中的氧空位，從中可以看出，富氧的退火環(huán)境可以降低薄膜中的氧空位濃度，而缺氧的退火環(huán)境則增加了薄膜中的氧空位。此外，通過第一性原理計(jì)算得出，Ga2O3薄膜的帶隙隨著氧空位濃度的增加而增大，這與實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)非常吻合，計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)得出的四組Ga2O3薄膜的能帶結(jié)構(gòu)如圖3所示。
圖1. 未處理和退火后Ga2O3薄膜的 (a) 紫外可見吸收光譜和 (b) 價(jià)帶最大值。
圖 2. (a) 未處理和在 (b) 真空中退火 (c) 氧氣中退火和 (d) 氧等離子體中退火后的Ga2O3薄膜XPS光譜中O 1 s峰的曲線擬合。
圖 3. (a) 單胞，(b) 1×2×1超晶胞和 (c) 1×3×1超晶胞模型的能帶結(jié)構(gòu)。(d) 由在不同氣體環(huán)境中退火的Ga2O3薄膜制備的光電探測(cè)器的能帶排列。
此外，基于這四種Ga2O3薄膜制備了金屬-半導(dǎo)體-金屬（MSM）型光電探測(cè)器，電極采用金屬銦，觀察到經(jīng)過熱處理后，光電探測(cè)器的暗電流可以從154.63 pA 下降到269 fA，光暗電流比（PCDR）提高了100倍，探測(cè)度（D*）提高了10倍，具體結(jié)果如圖4所示。高溫處理導(dǎo)致了晶體重組，從而在很大程度上提高了薄膜的結(jié)晶質(zhì)量，進(jìn)而改善了光電探測(cè)器的性能。此外，氧空位為金屬氧化物晶體中一種主要的缺陷，如圖5所示，在光電探測(cè)器工作時(shí)氧空位會(huì)捕獲光生載流子，從而增強(qiáng)器件的自陷效應(yīng)，導(dǎo)致光電探測(cè)能力的降低。經(jīng)過富氧氛圍的熱退火之后，薄膜表面氧空位濃度的抑制也在一定程度上提高了薄膜的光敏性能。
圖 4. 基于在不同氣體環(huán)境中退火的Ga2O3薄膜制備的光電探測(cè)器在黑暗中以及光強(qiáng)為220 μW/cm2的254 nm光照下的 (a) 半對(duì)數(shù)I-V曲線，(b) 光暗電流比以及 (c) 外量子效率和檢測(cè)率。
圖 5. 光電探測(cè)器的工作機(jī)制示意圖。
在這項(xiàng)工作中，通過一種低成本、易操作的熱退火方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)PECVD法生長的Ga2O3薄膜的表面調(diào)控，并基于能帶調(diào)控理論，探索了這種熱重組工程對(duì)基于Ga2O3的MSM型電光探測(cè)器性能的具體影響，提出了可實(shí)現(xiàn)的表面改性方法，涉及寬帶隙半導(dǎo)體Ga2O3的表面物理與光電物理的融合。工作發(fā)表于Nanotechnology，第一作者為博士生奚昭穎，通訊作者為唐為華教授和劉增副教授。