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氧化镓——新兴宽禁带半导体材料及日盲紫外探测应用
发布时间:2020-03-11 点击次数:1381
 

日盲紫外探测器在紫外通讯、火焰探测、空气净化、臭氧监测和紫外泄露等领域具有广阔的应用前景。紫外光谱(UV)的波长范围处于X射线和可见光之间,波长范围为10~400 nm,可分为真空紫外波段(VUV, 10~200 nm),紫外C波段(UVC, 100~280 nm),紫外B波段(UVB, 280~315 nm)和紫外A波段(UVA, 315~400 nm)。太阳光是最重要的自然紫外光源,可以辐射所有波段的紫外光。然而,太阳辐射的UVC波段被大气层中的氧气(100~200 nm)和臭氧(200~280 nm)所吸收,因此波长范围在200~280 nm的紫外线被称为“日盲紫外”,即该波段的探测不受太阳光背景所引起的噪声影响。因此,发展日盲紫外探测器对导弹追踪、火焰探测、电晕放电、深空探测成像及卫星跟踪等国防安全和民用技术领域均具有重要价值。

紫外频谱及其波段划分

宽禁带半导体如GaN(禁带宽度3.4 eV),ZnO(3.29 eV),SiC(2.3~3.2 eV),AlN(6.20 eV),金刚石(5.5 eV)和Ga2O3(4.4~5.3 eV)等可以用来做日盲紫外探测器。由于带隙的限制,二元化合物半导体如GaN,SiC和ZnO比较适用于制备可见光盲区紫外探测器。为了制备响应截止波长小于280 nm的日盲紫外探测器,一般会使用合金工程将半导体的带隙调节到4.42 eV或者安装一个外部的Wood’s紫外滤波片抑制其他紫外光。例如,可以利用AlxGa1~xN和MgxZn1~xO的三元合金进行日盲紫外探测器的制备,特别是基于AlxGa1~xN的日盲探测器已取得了很大进步,成功制备了高性能的雪崩日盲探测器。

然而,合金工程的引入会增加材料制备的工艺复杂度,降低材料的质量,甚至会导致相分离,进而降低探测器的可靠性和稳定性。由于β相氧化镓的禁带宽度大概在4.4~4.8 eV之间,对应的截止波长约为258~280 nm,可以直接用于制备响应波长合适的日盲紫外探测器。也因为β相氧化镓具有高质量大尺寸的单晶和高质量的同质外延薄膜,进一步增加了器件设计的可操控性,降低了成本。

对传统的探测器而言,高稳定性、高信噪比、高响应度和高反应速度是衡量一个探测器性能的主要参数。随着应用需求的增长,一些新的功能或特殊性能在实际应用中变得越来越受重视,例如智能、柔性、自功率、高集成等特性在健康、基础设施、环境监测和无人值守工作站等领域具有重要应用。

根据器件结构的不同,日盲紫外探测器可以分为光导型探测器、肖特基光电二极管、p(i)n结二极管和光电晶体管。由于目前Ga2O3的p型掺杂仍未实现,基于Ga2O3的日盲紫探测器主要集中在光导型探测器、肖特基光电二极管和异质结二极管上。随着Ga2O3基MOSFET的发展,一些基于此结构的光电晶体管也有了相关报道。为此,南京大学的叶建东教授团队对Ga2O3的基本特性、外延方法、可控掺杂和合金工程进行了综述,并对Ga2O3基日盲探测器的基本结构和器件工艺进行了详细介绍,对比了基于Ga2O3单晶快材、外延薄膜、纳米结构为吸收层的探测器性能进行了综合比较,特别针对Ga2O3肖特基二极管的普遍存在的高增益、低响应速度现象,重点讨论其内在机理。相关内容以Review of gallium-oxide-based solar-blind ultraviolet photodetectors为题发表在Photonics Research上。

下一代芯片级紫外探测器的技术路线。[Mater. Today 18 (9), 493 (2015)]

目前重复性较好,性能较稳定可靠的Ga2O3基日盲紫外探测器大多基于氧化镓高质量单晶衬底。通过一定的结构优化和表面修饰,可以实现日光灯背景下的火焰探测,响应速度小于10 ms。非晶Ga2O3基也具有较好的探测性能,同时成本较低,并可用于柔性探测器的制备。合金化的(AlxGa1~x)2O3和(InxGa1~x)2O3薄膜也可用于制备紫外探测器,其中(AlxGa1~x)2O3合金的截止波长蓝移,有望用于真空紫外的探测。但是由于薄膜质量和掺杂效率的原因,目前基于合金的Ga2O3紫外探测器的重复性、可靠性和稳定性与基于Ga2O3单晶的探测器还有一定差距。基于Ga2O3纳米结构可以制备结构新颖、功能复杂的日盲紫外探测器,用于探索材料的特性和物理极限。

然而,基于单一Ga2O3纳米结构的日盲紫外探测器的器件制备过程一直被重复性所诟病。目前,一些Ga2O3纳米结构薄膜被用来增强Ga2O3纳米结构日盲紫外探测器的重复性,同时发挥纳米结构易于制备、低成本、柔性和高性能等优点;然而,Ga2O3纳米结构的可控掺杂和可靠性问题依然需要进一步的研究来解决。

由于Ga2O3的p型掺杂难以实现,目前利用半导体结优势的Ga2O3日盲紫外探测器大多基于异质结构,例如和GaN,SiC,ZnO,Diamond和SnO2等形成异质结。较高性能及具备一定雪崩特性的Ga2O3异质结日盲紫外探测器已经被成功制备。这些异质结构的日盲紫外探测器具有响应度大,响应速度快等优点,但是由于异质外延的材料质量限制,这些探测器仍未能充分发挥材料优势。同时,由于与Ga2O3形成异质结的材料带隙一般比Ga2O3小,这就会引起异质结探测器对长波长的光子产生响应,降低探测器的信噪比。因此,Ga2O3异质结构日盲紫外探测器的材料、器件结构和器件性能还有很大的提升空间。

一些Ga2O3日盲紫外探测器的性能、制备流程和应用。[Jpn. J. Appl. Phys. 48 (1), 011605 (2009). ACS Appl. Mater. Interfaces 8 (6), 4185 (2016). Sens. Actuators, A 232, 208 (2015). ACS Appl. Mater. Interfaces 9 (42), 36997 (2017)]

综上所述,Ga2O3宽禁带半导体材料恰好对日盲紫外波段具有高响应特性,是一种天然的日盲紫外探测材料,并具有高质量大尺寸单晶、抗辐照性等优越特性,可在极端工作环境下可靠工作,在功率电子和日盲探测领域具有重要潜在优势和应用前景。目前,Ga2O3已经在日盲紫外探测器和功率电子器件领域有了一定的进展,但仍需更多的科学工作者加入到Ga2O3的材料和器件研究中来,充分发挥Ga2O3的材料优势,推动其在电子电力、紫外探测等领域的实用化进程。深圳市赛帆科技代理销售氧化镓单晶片也叫晶元,还有氧化镓外延片。产品由北京镓族科技提供,有国家一级专利30多项,是全球第二家能生产氧化镓的高新企业。

文章链接:

Review of gallium-oxide-based solar-blind ultraviolet photodetectors

作者简介

叶建东教授在2002年和2006年分别获南京大学理学学士和工学博士学位。2011年至今为南京大学教授、博士生导师。2013年获得国家优秀青年基金和江苏省杰出青年基金资助,2014年获得江苏省第十一批“六大高峰人才”培养计划A类资助。近年来主要从事氧化物半导体光电子材料与信息功能器件方面的研究。

 
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