论文DOI：10.1109/LED.2022.3151476 本文充分发挥脉冲激光沉积技术具有的易获得期望化学计量比、靶材种类限制小以及氧空位可控等优点，成功制备了p型元素掺杂氧化镓Ga2O3-δ薄膜。我们通过优化氧分压在c-蓝宝石基片上制备了(-201)晶向Mg掺杂的Ga2O3-δ薄膜；进一步设计制备了顶栅结构晶体管和异质结，晶体管的转移特性曲线和异质结的整流特性等电学测试结果表明镁掺杂氧化镓薄膜的导电类型是p型。最终我们基于Mg:Ga2O3-δ薄膜制备了日盲紫外光电探测器，具有低暗电流(~0.19 pA)、高开关电流比（>104）、快的上升（τr1 = 0.035 s和τr2 = 0.241 s)和下降(τd1 = 0.022 s和τd2 = 0.238 s)响应时间。凝聚态物质(尤其是半导体材料体系)的光电耦合特性及其信息功能器件一直是研究热点和科技前沿。作为第三代半导体的典型代表，氧化镓有五种同分异构体：α、β、γ、δ和ε。其中，β-Ga2O3稳定性好，宽光学禁带宽度，在紫外-可见-近红外(UV-NIR)区域具有高透过率等特性。 因此，它可以广泛应用于高功率器件、紫外光电探测器、光致发光器件以及气体传感器等。特别地，β-Ga2O3具有约4.9 eV (253nm)的超宽光学带隙，可以有效地屏蔽太阳辐射和人造光源带来的影响，非常适用于制备日盲紫外光电探测器。初步研究表明，可以通过掺杂N, Se, Zn, Mg等元素实现p型氧化镓。其中，Mg由于具有较低的形成能和相对较浅的施主能级更容易形成p型氧化镓。然而，由于自补偿效应很难获得稳定且导电性良好的p型Mg掺杂Ga2O3-δ。因此，人们对p型氧化镓的制备及其在光电探测领域的应用有待进一步研究。基于以上研究背景，华东师范大学物理与电子科学学院胡志高教授课题组采用脉冲激光沉积技术，通过镁掺杂成功制备了p型氧化镓半导体薄膜。通过其晶体管的转移特性曲线以及镁掺杂氧化镓/氧化镓异质结的整流特性，确定了镁掺杂氧化镓薄膜的p型导电类型特征。另外，基于该p型薄膜构筑的日盲紫外光电探测器表现出良好的紫外探测性能。相关研究结果近期以“High Quality p-Type Mg-Doped β-Ga2O3-δ Films for Solar-Blind Photodetectors”为题发表在国际知名期刊IEEE Electron Device Letters上。首先，研究者使用脉冲激光沉积方法在c-蓝宝石上生长了镁掺杂氧化镓薄膜，在此基础上制备了顶栅晶体管和p-n结，最后制备了两端日盲光电探测器并研究了其光电探测性能。▲图1 (a) 在氧分压为PO = 10、20、30 和 40 mTorr下沉积的Mg掺杂Ga2O3-δ薄膜的XRD。在氧分压为30mTorr下沉积的Mg掺杂Ga2O3-δ薄膜的(b) AFM图像(5um×5um)和 (c) XPS谱。插图：O/Ga和Mg浓度随氧分压的依赖关系。(d) Mg:Ga2O3-δ薄膜的透射率以及(αhν)2 vs hν（插图）光谱。
研究者通过XRD，AFM，XPS和紫外透射光谱表征确定了薄膜的组份、表面形貌和禁带宽度，如图1所示。随着氧分压的增加，薄膜的晶粒尺寸变大。对于在10、20、30和40 mTorr氧分压下制备的薄膜样品，它们的氧镓比分别为1.15、1.47、1.49和1.50，这意味着通过增加氧分压可以减少薄膜中的氧空位。紫外-近红外波段的透射谱表明在近紫外-可见-近红外区域的透过率超过80%，吸收边出现在约270 nm处。在PO = 30 mTorr 氧分压下制备的Mg:Ga2O3-δ薄膜的光学带隙约5.2 eV (238.5 nm)。表明该薄膜非常适合用作紫外光探测器敏感单元。研究者基于Mg:Ga2O3-δ薄膜制备了顶栅晶体管和镁掺杂氧化镓/氧化镓p-n结，如图2所示。晶体管的转移特性曲线和异质结的整流特性等电学测试结果表明镁掺杂氧化镓薄膜的导电类型是p型。▲图2 (a) 基于β-Ga2O3-δ的FET的示意图和 (b) 转移特性曲线。(c) Mg掺杂/未掺杂β-Ga2O3-δ p-n结的示意图和(d) I-V曲线。
▲图3 基于Mg:Ga2O3-δ构建的光电探测器 （a) 示意图，(b) 暗电流和 (c) 光电流 (λ=254nm)及其I-t 曲线 (Vapp = 10 V)。基于未掺杂Ga2O3-δ的光电探测器（e）明暗电流 和（f）I-t 曲线。
随着氧分压的增加，光电探测器的明暗电流因氧空位的减少而降低。光响应时间包括上升和下降响应时间通过对比Mg掺杂和未掺杂Ga2O3-δ薄膜的I-t响应，发现Mg:Ga2O3-δ薄膜器件的响应时间比未掺杂Ga2O3-δ薄膜器件要快，如图3所示。▲图4 基于Mg掺杂Ga2O3-δ薄膜 (PO = 30 mTorr) 的光电探测器的 (a) 响应光谱，(b) 不同光功率密度辐照下的I-t。(c) 光电流强度和响应度与光功率密度的依赖关系。(d) Mg掺杂Ga2O3-δ基日盲光电探测器在紫外光(254 nm, 0.7 mW/cm2)下的性能稳定性。
研究者进一步研究了Mg掺杂β-Ga2O3-δ基日盲光电探测器的光电响应性能(图4)。其响应波长范围约为200-270 nm，该范围与其光学带隙一致。随着入射光功率密度的增加，器件的光电流增加并趋向饱和。经过1000次的循环后，其光电响应没有发生衰退现象，表明该器件具有很好的可靠性和稳定性。研究者借助脉冲激光沉积技术在c-蓝宝石衬底上制备了(-201)晶向的镁掺杂氧化镓薄膜。基于镁掺杂氧化镓构建的晶体管转移曲线和镁掺杂氧化镓/氧化镓p-n结结构的电学测试结果证实了该半导体薄膜属于p型导电类型。最后设计并制备了具有良好紫外光电响应和性能稳定性的日盲紫外光电探测器。本研究工作丰富了半导体物理及器件研究知识，有望对p型氧化镓的制备及其紫外光电探测的应用提供指导。本工作得到国家重点研发计划项目、国家自然科学基金项目以及上海市科委基础研究重点项目等相关课题的资助。胡志高教授课题组依托纳光电集成与先进装备教育部工程研究中心和上海市极化材料多功能磁光光谱公共技术服务平台，以研究凝聚态物质，特别是半导体光电功能材料及微纳器件、新型二维半导体及电子器件以及研发极端条件下凝聚态光谱测试系统为主要目标，为新功能、新概念的光电功能器件提供理论基础和技术支撑。近年来课题组在PRApplied、PRB、Small、Mater. Horiz.及APL等国际应用物理与材料知名学术期刊上发表SCI收录论文100多篇，他引2000多次，相关成果曾获上海市自然科学二等奖。胡志高教授于2008年入选教育部“新世纪优秀人才支持计划”，2010年入选上海市“曙光学者计划”，2010年获聘上海高校特聘教授(东方学者)，2014年入选上海市“优秀学术带头人计划”以及2014年获聘上海高校特聘教授(东方学者)跟踪计划等各类人才称号。张金中，华东师范大学物理与电子科学学院副研究员，2020年入选上海市“浦江学者计划”。主要研究方向是低维电子材料的制备、表征及其光电性能的研究。以第一/通讯作者身份已在Nat. Commun.、Phys. Rev. B及Adv. Electron. Mater.等期刊上发表研究论文20余篇。主持国家自然科学基金2项，上海市科委项目1项，参与国家重点研发计划等项目。http://spec-lab.ecnu.edu.cn/
