松山湖材料實驗室研究團隊在學術(shù)期刊 Chinese Physics B 發(fā)布了一篇名為 Unraveling the role of dangling bonds passivation in amorphous Ga₂O₃ for high-performance solar-blind UV detection（懸鍵鈍化在提高非晶 Ga₂O₃ 日盲紫外探測性能中的重要作用）的文章。

1. 項目支持

本項目得到國家自然科學基金委員會（Grant Nos. 62404146、 12174275 和 62174113），廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究基金（Grant Nos. 2023A1515110730 和 2023A1515140094），以及挪威研究理事會 INTPART 計劃 （Project number 322382）資助。

2. 背景

因其能夠在低溫下大面積均勻沉積在各種襯底（包括柔性襯底）上，且具有良好的光學透明性和可調(diào)的電學特性，非晶氧化鎵（a-Ga₂O₃）在光電子領(lǐng)域受到了廣泛關(guān)注。非晶 Ga₂O₃ 中存在大量本征缺陷，特別是氧空位和懸掛鍵。這些缺陷會形成深能級陷阱態(tài)，俘獲光生載流子，導致嚴重的持續(xù)光電導（PPC）效應(yīng)，使得探測器的響應(yīng)速度極其緩慢（可達數(shù)小時甚至數(shù)天），因而極大限制了其實際應(yīng)用。因此，開發(fā)一種能夠有效鈍化這些缺陷態(tài)（特別是懸掛鍵）、從而抑制 PPC 效應(yīng)、提升探測器性能的生長方法及后處理技術(shù)至關(guān)重要。

3. 主要內(nèi)容

近年來，低成本、大面積均勻的非晶 Ga₂O₃（a-Ga₂O₃）日盲紫外（UV）探測器引起了廣泛關(guān)注。氧空位（V_O）缺陷通常被認為是影響探測器性能的主要缺陷。降低 V_O 濃度通常會導致暗電流和光電流均較低（即光電增益低），這顯著限制了光暗比（PDCR）這一器件參數(shù)的進一步提升。本文揭示了一種經(jīng)過精細優(yōu)化的原子層沉積（ALD）方法，該方法能夠突破 a-Ga₂O₃ 中的制衡關(guān)系、同時實現(xiàn)低的暗電流和高的光電流。為了清晰展示，同時利用磁控濺射技術(shù)制備了 a-Ga₂O₃ 樣品并進行對比。X 射線光電子能譜、光致發(fā)光、電子順磁共振和傅里葉變換紅外光譜等測試結(jié)果表明，相比于磁控濺射的 a-Ga₂O₃，ALD a-Ga₂O₃ 薄膜（S1）中的 V_O 濃度和懸鍵濃度均較低。懸鍵通常是非輻射復(fù)合中心，因此，減少懸掛鍵有利于補償由低 V_O 濃度造成的低光電增益，因而大大提升了 PDCR 這一重要性能（~2.06 × 10⁶），比對比樣品（S2）提高了兩個數(shù)量級。該團隊的研究首次證明了懸掛鍵鈍化在提高 a-Ga₂O₃ 日盲紫外探測性能方面的重要作用，為同時優(yōu)化懸鍵和 V_O 來進一步提升 a-Ga₂O₃ 紫外探測器性能提供了新見解。

圖1. 不同生長溫度下制備的 Ga₂O₃ (ALD) 薄膜特性。 (a) XRD θ-2θ掃描曲線，(b) 透射譜。插圖顯示了上述薄膜的 (αhν)² 與 hν 的關(guān)系曲線。(c) O 1s能譜。 (d)薄膜表面的AFM形貌圖。

圖2. S1 和 S2 的器件結(jié)構(gòu)及探測性能。 (a) 器件結(jié)構(gòu)示意圖及(b)叉指電極在光學顯微鏡下的放大照片，(c) 254 nm 紫外光照射下和暗態(tài)下的 I–V 曲線對比，(d)周期性 254 nm 紫外光照射下的時間響應(yīng)曲線。

DOI：

doi.org/10.1088/1674-1056/adcb24

本文轉(zhuǎn)發(fā)自《亞洲氧化鎵聯(lián)盟》訂閱號