廈門(mén)大學(xué)龍浩課題組在Ga?O?界面控制、表征及光電器件研究中取得系列進(jìn)展
超寬禁帶半導(dǎo)體 Ga2O3 因其優(yōu)異的材料特性，在日盲紫外探測(cè)器、大功率電子器件領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。在 Ga2O3 光電器件中，界面調(diào)控是高性能器件穩(wěn)定工作的前提。近期，廈門(mén)大學(xué)龍浩副教授課題組在 Ga2O3 光電器件的界面調(diào)控方面取得系列進(jìn)展，為進(jìn)一步理解 Ga2O3 界面機(jī)制提供思路。
01. Ga2O3 基 MOS 電容界面調(diào)控及高性能肖特基二極管
MOS 電容結(jié)構(gòu)是 MOSFET 器件中柵控的核心部分。其中的界面缺陷會(huì)強(qiáng)烈影響 MOSFET 的開(kāi)啟電壓等特性。課題組通過(guò)高/低頻 C-V、回滯 C-V 和正向應(yīng)力 C-V 三種測(cè)試方法分別表征了高低溫下Al2O3/Ga2O3基 MOS 電容的中的界面態(tài)缺陷（Dit）、邊界缺陷和體缺陷。并采用氧氣等離子處理、高溫氧退火等手段將 Al2O3/Ga2O3 界面缺陷態(tài)密度降低了 80%，提升了 MOS 結(jié)構(gòu)的開(kāi)啟電壓穩(wěn)定性?；谝陨辖缑鎽B(tài)研究，課題組進(jìn)一步研究了熱氧化 Ti 金屬形成 TiO2 插入層，實(shí)現(xiàn)了高性能 Ga2O3 基肖特基二極管。相比于傳統(tǒng) SBD，該器件的 PFOM 提高了 16 倍。
圖1：（a-d）Al2O3/Ga2O3基MOS電容的界面態(tài)及漏電流研究；（e-f）基于界面態(tài)調(diào)控的Ga2O3基SBD性能改善。
02. Ga2O3 基光電探測(cè)器中的界面態(tài)研究及高性能光電探測(cè)器
在 Ga2O3 基光電探測(cè)器中，界面態(tài)的存在對(duì)載流子輸運(yùn)產(chǎn)生重大影響，但界面缺陷在光暗態(tài)以及光/暗切換時(shí)的行為尚未得到系統(tǒng)研究。課題組通過(guò)不同溫度下的變頻 C-V 測(cè)試了 Ga2O3 基 MSM-光電探測(cè)器的界面特性。實(shí)現(xiàn)發(fā)現(xiàn)，MSM-PD 中界面態(tài)密度隨著溫度和偏壓上升，其對(duì)載流子的捕獲時(shí)間隨著溫度下降。暗態(tài)下，MSM-PD 電流以 PF 遂穿機(jī)制為主；光照時(shí)，光生載流子以熱電子發(fā)射 TE 模式為主。探測(cè)器的響應(yīng)時(shí)間受到界面缺陷的載流子填充過(guò)程制約。基于以上界面態(tài)研究，課題組近年來(lái)與廈大張洪良老師課題組、楊偉鋒老師課題組合作研究了基于法布里-帕羅(FP)微腔的 MSM-PD, 基于p-(Al)GaN/n-Ga2O3 的 PN 結(jié)探測(cè)器。其中，基于FP微腔的 MSM-PD 響應(yīng)度曲線半峰寬僅為 18.4nm；基于p-(Al)GaN/n-Ga2O3 的異質(zhì)結(jié)探測(cè)器，零偏壓下UVC/UVB（R247nm /R300nm）和 UVC/UVA 選擇比（R247nm /R360nm）分別達(dá)到 1.47×105 和 3.71×105；單指數(shù)響應(yīng)時(shí)間僅為 31μs。
圖2：（a）MSM-PD中界面態(tài)對(duì)電流傳導(dǎo)機(jī)制影響；（b）超快的 Ga2O3 基PN結(jié)光電探測(cè)器；（c）高選擇比的 Ga2O3 的PN結(jié)光電探測(cè)器；（d）課題組 Ga2O3 基異質(zhì)結(jié)PD的關(guān)鍵指標(biāo)對(duì)比。
03. 科研支持
本研究獲國(guó)家自然科學(xué)基金（62174140）資助。
04. 論文列表
(1) Cai, Z.; He, X.; Wang, K.; Hou, X.; Mei, Y.; Ying, L.; Zhang, B.; Long, H. Enhancing Performance of GaN/Ga2O3 P‐N Junction Uvc Photodetectors via Interdigitated Structure. Small Methods 2023, 8 (7), 2301148.
(2) Chen, S.; Du, S.; Wang, K.; Qiao, L.; Zhang, C.; Yang, W.; Li, Q.; Zheng, Z.; Mei, Y.; Long, H. Improved β-Ga2O3 Schottky Barrier Diodes via Thermal Oxidation of Titanium Insertion Layer. Micro and Nanostructures 2024, 190, 207831.
(3) He, X.; Sun, R.; Xu, X.; Geng, H.; Qi, S.; Zhang, K. H.; Long, H. Excellent Wavelength Selectivity of P-AlGaN/n-Ga2O3 Solar-Blind UVC PD. ACS Appl. Mater. Interfaces 2024, 16 (46), 64146–64155.
(4) Du, S.; Lin, Y.; Xu, H.; Long, H. Investigation of Interface, Border and Bulk Traps of Al2O3/β-G2O3 MOS Capacitors via O2 Plasma Treatment. Micro and Nanostructures 2025, 198, 208058.
(5) Sun, R.; Xu, H.; He, X.; Xu, X.; Du, S.; Zhang, K. H.; Long, H. Current Mechanism and Interface States in Ga2O3 MSM Solar-Blind Photodetector. Surfaces and Interfaces 2025, 72, 106949.
(6) Lin, Y.; Du, S.; Long, H. Effect of Oxygen in the Annealing Treatment of Al2O3/β-Ga2O3 MOS Capacitors. Micro and Nanostructures 2025, 208, 208321.
(7)Taoan Wang, Xiyao He, Hao Xu, Ruoting Sun, Xiangyu Xu, Kelvin Hongliang Zhang, Hao Long. Enhanced Performance of Ga2O3-based MSM-PD by Fabry-Pérot microcavity. Optics Letters (accepted)
本文轉(zhuǎn)發(fā)自《亞洲氧化鎵聯(lián)盟》訂閱號(hào)