本文由西安电子科技大学微电子学院宽带隙半导体材料与器件重点实验室的Zhe Li、Zhaoqing Feng等学者团队完成，研究成果发表于2021年4月的《IEEE Electron Device Letters》第42卷第4期。该研究展示了一种采用氧化铪（HfO₂）栅介质的高性能β-相氧化镓（β-Ga₂O₃）日盲金属-氧化物-半导体场效应光电晶体管（Solar-blind Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Phototransistor, SBPT）。

学术背景

日盲探测器（Solar-blind Photodetector, SBPD）指仅对280 nm以下波长光敏感的设备，因其对太阳辐射其他波段无响应而得名。这种特性使其在导弹追踪、安全通信和火焰探测等领域具有重要应用价值。目前，用于制造SBPD的半导体材料包括AlGaN、MgZnO、金刚石和Ga₂O₃等。其中，β-Ga₂O₃因其可通过低成本熔融生长获得高质量单晶、4.7 eV的合适带隙（可实现高效日盲光吸收）以及优异的热化学稳定性，成为极具潜力的材料。

传统SBPD结构包括金属-半导体-金属（MSM）型、光电导型和肖特基势垒型等，但这些结构存在暗电流高、噪声大等问题。本研究提出的SBPT采用三端结构，通过栅极电压调控可显著降低暗电流，从而提升光暗电流比（Photo-to-Dark-Current Ratio, PDCR）和探测率（Detectivity, D*）。此前报道的SBPT多为背栅结构，性能有待提升，而本研究采用顶栅结构，结合高介电常数（high-k）的HfO₂栅介质，实现了更优的性能。

研究流程与方法

1. 器件制备

   • 衬底处理：通过机械剥离法从（-201）晶向的β-Ga₂O₃衬底上剥离出（100）晶向的纳米膜（厚度112 nm，面积240 μm²），并转移至蓝宝石衬底。
     
   • 清洗与预处理：依次用丙酮、乙醇和去离子水超声清洗（功率100 W），随后在等离子体增强原子层沉积（PEALD）腔室中进行原位臭氧处理以改善界面性能。
     
   • 电极制备：通过光刻定义源漏区域，沉积Ti/Au（60/120 nm）并退火（480°C，N₂氛围）形成欧姆接触。
     
   • 栅介质沉积：采用PEALD工艺，以四（二甲氨基）铪（TDMaH）和H₂O为前驱体，沉积20 nm厚的HfO₂。
     
   • 栅极形成：通过光刻定义栅区，沉积Ni/Au（2/10 nm）金属层。
     

2. 性能表征

   • 光学测试：使用紫外-可见分光光度计测量Au/Ni/HfO₂堆栈和β-Ga₂O₃晶体的透射光谱，验证日盲波段（254 nm）的光吸收特性。
     
   • 电学测试：采用半导体参数分析仪测量输出特性（I₉-V₉）和转移特性（I₉-V₉），评估器件的饱和电流密度（I{d,sat}）、导通电阻（R{on,sp}）和阈值电压（V_{th}）。
     
   • 光电响应测试：使用254 nm和365 nm汞灯照射，测量光暗电流比（PDCR）、外量子效率（EQE）、响应度（Responsivity, R）和探测率（D*），并通过时间响应曲线分析衰减时间（τₐ）。
     

主要结果

1. 电学性能

   • 在栅压V₉ = 0 V时，器件的饱和电流密度为95.7 mA/mm（暗态）和129.5 mA/mm（光照态），导通电阻分别为11.7 mΩ·cm²和10.7 mΩ·cm²。
     
   • 阈值电压为-23 V，开关比达10⁸，亚阈值摆幅（SS）为123 mV/dec，表明HfO₂栅介质具有优异的栅控能力。
     

2. 光电性能

   • PDCR高达6.9×10⁷，254 nm/365 nm抑制比达6.0×10⁷，EQE为6.4×10⁷%。
     
   • 响应度（R）为1.4×10⁷ A/W，探测率（D*）达1.1×10¹⁹ Jones，均为已报道Ga₂O₃探测器的最高值。
     
   • 衰减时间（τₐ）仅16 ms，响应速度处于领先水平。
     

3. 对比分析
   与Al₂O₃栅介质的SBPT相比，HfO₂基器件的性能全面提升，尤其是SS（123 mV/dec vs. 262 mV/dec）和响应时间，归因于高介电常数带来的更强栅控能力。

结论与价值

本研究通过HfO₂栅介质和顶栅结构设计，实现了高性能β-Ga₂O₃ SBPT，其超高探测率、快速响应和低暗电流特性使其在日盲探测领域具有重要应用潜力。科学价值在于：
1. 证明了高介电常数栅介质对提升SBPT性能的关键作用；
2. 为日盲探测器的小型化和集成化提供了新思路。

研究亮点

1. 创新结构：首次将HfO₂栅介质应用于β-Ga₂O₃ SBPT，突破传统背栅结构的性能限制。
   
2. 性能突破：多项参数（D*、R、τₐ）创纪录，尤其是D*达1.1×10¹⁹ Jones。
   
3. 工艺优化：通过臭氧预处理和PEALD工艺，显著降低界面缺陷，提升器件稳定性。
   

其他价值

研究还指出，进一步优化金属层厚度或沉积方法可提升254 nm光的透射率（当前吸收/反射率达73%），为后续研究指明方向。