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实验室成功研制出基于低温原位臭氧处理技术的高性能日盲光电晶体管
作者:  文章来源:  发布时间:2022-03-18  阅读次数:892

        近日,实验室关于氧化镓日盲探测器的相关研究成果“Performance Improvement of a β-Ga2O3-Based Solar-Blind Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Phototransistor Using In Situ Ozone Pretreatment Technology”在国际半导体器件权威期刊IEEE Transactions on Electron Devices上正式发表,实验室李哲博士为本论文的第一作者,张春福教授为论文的通讯作者。

        当前,研究人员正在研究基于各种器件结构的氧化镓日盲探测器,包括金属-半导体-金属型、肖特基型、异质结型及晶体管型探测器。而在这些器件结构中,基于栅极对于导电沟道的强控制能力,晶体管型的日盲探测器具备极低的关态噪声,从而使其具备优异的弱光探测能力,同时晶体管型的探测器可以方便的集成到成像系统中,进而实现日盲探测器的阵列化应用。然而当前研究人员对于晶体管型的日盲探测器的研究大多数是基于背栅结构,这种结构存在两个缺陷:首先,由于其较厚的栅介质,所以就需要更高的栅压去耗尽沟道,从而带来更多的功耗;其次,背栅结构的晶体管在器件制备的过程中,由于栅极和氧化镓的界面在氧化镓材料转移的过程中已经形成,所以很难对于界面进行进一步的处理来优化器件的性能。但是对于顶栅结构的器件,却可以很好的解决背栅结构存在的缺陷,如其较低的功耗,可控的界面质量以及高介电常数介质所带来的强栅控能力,使得顶栅结构的晶体管型日盲探测器具备更好的工业化应用前景。也正是基于以上优点,团队人员前期对于顶栅结构的光电晶体管进行了深入的研究[1],得益于高介电常数氧化铪(HfO2)栅介质结构对于沟道较强的控制能力,所制备的日盲探测器具备极低的暗电流(~10-13 A),使得光电探测器的探测度(D*)达到了1.1×1019 Jones,为所报道研究中同期同类器件最高水平。

        然而在氧化镓光电晶体管中,作为感光层的氧化镓表面的氧空位容易诱导器件探测性能的退化,故消除表面氧空位的影响就变得至关重要。当前,为了改善氧化镓材料表面质量,通常有两种处理方法:在氧气氛围下对氧化镓材料进行高温退火,通过介质生长后退火来优化氧化镓及介质层的界面质量,然而这两种方法均在高温下进行长时间的退火,这就极容易对氧化镓材料本身质量产生破坏,同时又不利于欧姆接触的形成,从而使得日盲探测器的探测性能降低。为了解决高温长时间退火这一不利因素,团队人员引入了低温原位臭氧处理技术[2],将样品置于300 oC的PEALD腔内,通过臭氧发生器产生的臭氧处理10分钟后,所制备的光电晶体管的探测性能得到进一步提升。具体地,如图XPS结果所示,氧化镓纳米薄膜在低温原位臭氧处理之后,其亚稳态的氧含量占整体氧含量的比值大幅降低;同时,亚稳态的Ga-O键的峰值在处理之后离稳态的Ga-O键峰值更近,说明了在低温原位臭氧处理之后,氧化镓纳米薄膜的表面Ga-O键键合质量得到改善。同时,在低温原位臭氧处理之后,探测器的探测性能得到进一步的提高:包括4.3×106 A/W的响应度,约1.4×107的光暗电流比以及约2.2×107 %的外部量子效率,探测器的探测度更是高达2.8×1018 Jones,上升和下降时间仅有70 ms和23 ms。β-Ga2O3光电晶体管中通过低温原为臭氧处理技术而实现的高增益为高性能太阳光盲区深紫外光电探测器的获得提供了新途径。该研究成果得到了科技部重点研发计划项目“超宽禁带半导体材料与器件研究”的大力支持。

图1 低温原位臭氧处理前后的XPS(a)O 1s峰及(b)Gs 3d峰

图2 低温原位臭氧处理前后的直流(a)输出及(b)转移特性曲线

        论文相关信息:

        [1] Zhe Li, Zhaoqing Feng, Yu Xu, Qian Feng, Weidong Zhu, Dazheng Chen, Hong Zhou, Jincheng Zhang, Chunfu Zhang*, Yue Hao. High Performance β-Ga2O3 Solar-Blind Metal–Oxide–Semiconductor Field-Effect Phototransistor With Hafnium Oxide Gate Dielectric Process,IEEE Electron Device Letters, VOL. 42, NO. 4, 545-548, 2021.

        [2] Zhe Li, Zhaoqing Feng, Yu Xu, Qian Feng, Weidong Zhu, Dazheng Chen, Hong Zhou, Jincheng Zhang, Chunfu Zhang*, Yue Hao. Performance Improvement of a β-Ga2O3-Based Solar-Blind Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Phototransistor Using In Situ Ozone Pretreatment Technology,IEEE Transactions on Electron Devices, VOL. 69, NO.3, 1143 - 1148, 2022.

        论文链接:

        [1] https://ieeexplore.ieee.org/document/9360775

        [2] https://ieeexplore.ieee.org/document/9708717.

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