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高性能β-Ga₂O₃ MISIM日盲光电探测器:基于AlN界面层的创新研究
一、作者及发表信息
本研究的通讯作者为厦门大学电子科学与技术学院(国家示范性微电子学院)的Weifeng Yang教授,第一作者为Chuanlun Zhang。合作者包括Chengyi Tian、Shubo Wei等来自厦门大学微电子与集成电路系的研究团队,以及物理科学与技术学院的Rongdun Hong。研究成果发表于*IEEE Photonics Technology Letters*期刊2024年5月第36卷第9期,标题为《High-Performance β-Ga₂O₃ MISIM Solar-Blind Photodetectors with an Interfacial AlN Layer》。
二、学术背景与研究目标
日盲光电探测器(Solar-Blind Photodetectors, SBPDs)在臭氧层监测、电晕放电检测等领域具有重要应用。β相氧化镓(β-Ga₂O₃)因其宽禁带(~5 eV)和紫外吸收特性成为理想材料,但体相和表面缺陷(如氧空位)限制了器件性能。本研究旨在通过原子层沉积(Atomic Layer Deposition, ALD)技术引入超薄氮化铝(AlN)界面层,构建金属-绝缘体-半导体-绝缘体-金属(MISIM)结构,优化β-Ga₂O₃光电探测器的响应度、量子效率及响应速度,并揭示AlN/β-Ga₂O₃界面的能带对齐机制。
三、研究流程与方法
1. 材料生长与表征
- 薄膜制备:采用分子束外延(Molecular Beam Epitaxy, MBE)在蓝宝石衬底上生长β-Ga₂O₃薄膜,镓源温度1000°C,氧等离子体作为氧源,生长压力8.2×10⁻⁶ mbar。
- AlN沉积:通过ALD在375°C下沉积3 nm、7 nm和13 nm厚AlN层,三甲基铝(TMA)和氨气(NH₃)分别作为铝源和氮源。
- 表征技术:X射线衍射(XRD)确认β-Ga₂O₃的(201)、(402)晶面;原子力显微镜(AFM)显示薄膜表面粗糙度(RMS=2.80 nm);X射线光电子能谱(XPS)分析氧空位浓度(OII/(OI+OII)=17.26%)和Ga⁺/Ga³⁺比例(15.96%)。
器件制备与测试
能带对齐分析
四、主要研究结果
1. 性能提升:
- 插入3 nm AlN层的MISIM器件表现出最优性能:响应度(R)达482 A/W(MSM器件为247 A/W),外量子效率(EQE)提升至2.36×10⁵%(MSM为1.21×10⁵%),响应时间缩短至0.10 s(MSM为0.32 s)。
- 暗电流因AlN绝缘性略有增加(0.17 nA vs. MSM的8.91 pA),但通过厚度调控可实现性能平衡。
机制解析:
厚度依赖性:
五、结论与价值
本研究通过AlN界面工程实现了β-Ga₂O₃ MISIM日盲探测器的高性能化,其科学价值在于:
1. 界面调控机制:首次阐明AlN/β-Ga₂O₃的I型能带对齐对载流子输运的促进作用。
2. 应用潜力:为高响应度、快速响应的日盲探测器设计提供了新思路,适用于深紫外通信和成像系统。
六、研究亮点
1. 创新方法:结合MBE高质量薄膜生长与ALD精确界面调控,实现性能可编程化。
2. 性能突破:EQE超过10⁵%的纪录级表现,优于同类报道(如文献[25]中β-(Al₀.₂₅Ga₀.₇₅)₂O₃钝化器件)。
3. 多尺度表征:从原子级XPS分析到器件级光电测试,全面关联材料特性与器件性能。
七、其他发现
- 光谱响应峰值随AlN厚度增加红移(260 nm→270 nm),推测为氮原子掺杂导致β-Ga₂O₃带隙窄化(文献[24]支持)。
此报告系统梳理了研究的创新性、方法学严谨性和应用前景,为相关领域研究者提供了详细参考。