厦门大学团队在第四代半导体氧化镓材料外延和深紫外探测应用领域研究取得重要进展

近日，电子科学与技术学院杨伟锋教授团队在第四代半导体氧化镓（β-Ga₂O₃）外延生长技术和日盲光电探测器制备方面取得重要进展。相关研究成果在IEEE微电子器件制造领域的多个学术期刊(IEEE Transactions on Electron Devices、IEEE Sensor Journals、IEEE Photonics Technology Letters)上发表，这些研究成果为β-Ga₂O₃异质外延薄膜的大面积生长和高性能的器件应用提供了重要支持。

图1 氧化镓材料MBE异质外延生长机理研究和材料表征分析图。

(详情请见IEEE Sensor Journals DOI 10.1109/JSEN.2024.3373252)

β-Ga₂O₃材料因其本征日盲光吸收(254 nm)，简单二元组成，带隙可调，制备工艺简单等优势在日盲光电探测器领域受到广泛关注。在β-Ga₂O₃薄膜生长方面，研究团队利用分子束外延技术（MBE）实现了高质量、低缺陷密度的外延薄膜生长。并通过改变反应物前驱体和精密控制生长参数，成功实现了β-Ga₂O₃外延薄膜的均匀生长和优良的晶体质量，有力地推动了β-Ga₂O₃薄膜的高质量异质外延的发展。同时，研究团队还通过对MBE外延生长过程中的β-Ga₂O₃薄膜生长机制进行详细探究，揭示了其成核、生长的差异性，并建立了相对应的外延生长机理模型图。研究成果如图1所示。

图2 CuCrO₂/β-Ga₂O₃ p-n异质结光电探测器结构、性能和能带示意图。

(详情请见IEEE Transactions on Electron Devices DOI 10.1109/TED.2024.3373382)

在β-Ga₂O₃日盲光电探测器制备方面，研究团队基于II型能带结构制备的CuCrO₂/β-Ga₂O₃ p-n异质结型的自供电日盲光电探测器具有6.5 pA的低暗电流、5.7×104的高光暗电流比、50 mA/W的高响应度、3.7×1012 Jones的高探测率和24.6%的高外量子效率，优于大多数报道的基于β-Ga₂O₃的异质结光电探测器。研究成果如图2所示。另外，研究团队在MBE异质外延β-Ga₂O₃生长机制的基础上，结合半导体光电响应原理，探究了异质外延β-Ga₂O₃薄膜日盲光电探测器的性能指标。研究团队利用臭氧作为前驱体所制备的金属-半导体-金属结构日盲光电探测器表现出7.5 pA的暗电流、1.31×107的光暗电流比、1.31×1015 Jones的比检测率和 53 A/W的光响应度，表现出相当优异的对日盲紫外光的探测性能。同时针对外延薄膜光电探测器暗电流大的不足，研究团队在金半界面处引入了钝化层改善器件性能：利用AlN/β-Ga₂O₃界面工程对金半界面处的载流子传输进行调控，所制备的金属-绝缘体-半导体-绝缘体-金属（MISIM）结构的日盲光电探测器实现了响应度和响应速度的同时优化。具有 3 nm AlN 层的光电器件表现出482 A/W 的响应度、2.48×1015 Jones 的比探测率和0.10 s 的快下降时间。研究成果如图3所示。

图3 氧化镓MSM和MISIM日盲深紫外光电探测器光电探测性能和能带图。

(详情请见IEEE Sensor Journals DOI 10.1109/JSEN.2024.3373252, IEEE Photonics Technology Letters 36, 593-596 (2024))

研究团队在β-Ga₂O₃材料和器件的研究进展为超宽禁带半导体在日盲深紫外探测器领域的应用和发展提供了技术参考，推动超宽禁带半导体基光电子技术的创新发展，为构建低噪声、高光响应的光电子器件开拓了研究途径。

三篇论文的第一署名单位均为厦门大学，第一作者分别是2021级博士生田成义和2021级硕士生张传伦（并列第一）、2022级硕士生林嘉隆、2021级硕士生张传伦，唯一通讯作者均为我院杨伟锋教授。课题组研究得到了国家自然科学基金项目、福建省“闽江学者”项目和厦门“双百人才计划”和福建省“*专百人计划”项目的支持。