由西安電子科技大學韓根全教授研究團隊在學術期刊 IEEE Electron Device Letters 發布了一篇名為 Enhanced Photoelectric Performance of β-Ga₂O₃ Phototransistors via NH3 Plasma Pretreatment for Ultra-Sensitive Solar-Blind UV Detection（通過NH₃等離子體預處理提升 β-Ga₂O₃ 光電晶體管的光電性能，實現超靈敏日盲紫外線檢測）的文章。

1. 背景

日盲紫外（UV）探測器在火焰探測、空間通信、導彈預警等領域具有廣泛應用。β−Ga₂O₃  因其 4.6-4.9 eV 的超寬禁帶和本征日盲特性，成為制備高性能光電探測器的理想材料。傳統的 β−Ga₂O₃ 肖特基或金屬-半導體-金屬（MSM）光電探測器通常由于低光增益而存在響應度低的問題。光電晶體管通過柵極調控提供更高光增益，是實現超高靈敏度日盲UV探測的有效途徑。然而，β−Ga₂O₃ 基光電晶體管的性能常受限于介電層/半導體界面的缺陷態，這些缺陷態會捕獲光生載流子，導致光響應速度慢、暗電流高和光電流不穩定。降低界面缺陷態密度是提高 β−Ga₂O₃ 光電晶體管性能的關鍵。

2. 主要內容

本研究提出了一種具有卓越光電性能的 β-Ga₂O₃ 光電晶體管，其性能通過在 Al₂O₃ 絕緣層沉積前進行 NH₃ 等離子體預處理得到提升。該器件在254 nm紫外光（UV）照射下，實現了驚人的響應度（R）為 1.3×10⁶ A/W，以及創紀錄的高探測率（D*）為 2.8×10¹⁹ Jones。在 1 Hz 脈沖紫外光源下，該器件展現出快速光響應特性，上升時間（τ_r）為 90 ms，衰減時間（τ_d）為1 ms。這些優異特性歸因于 NH₃ 等離子體在 Al₂O₃/β-Ga₂O₃ 界面引發的改進，包括捕獲密度降低和介電層粘附性增強。研究成果為開發具有超靈敏、日盲紫外線檢測能力和快速響應性能的 β-Ga₂O₃ 光晶體管提供了有前景的途徑。

3. 創新點

● 系統的將 NH₃ 等離子體預處理引入到 β−Ga₂O₃ 光電晶體管的制備中，以優化介電層/半導體界面。

● 通過 NH₃ 等離子體預處理，有效地降低了 Al₂O₃/β−Ga₂O₃ 界面處的陷阱密度，從而顯著抑制了暗電流。

● 通過XPS、AFM等分析手段，深入探討了 NH₃ 等離子體預處理如何通過改善表面形貌、形成 Ga-N 鍵和減少氧空位等方式優化界面的具體機制。

4. 結論

本研究提出將 NH₃ 等離子體預處理作為提升 β-Ga₂O₃ 光電晶體管性能的有效方法，旨在解決Al₂O₃/β-Ga₂O₃ 界面處界面陷阱這一關鍵挑戰。通過化學鈍化表面缺陷，該方法顯著提升了介電層附著力并降低了陷阱密度。因此，光電晶體管實現了創紀錄的D^∗值為 2.8 × 10¹⁹ Jones，高R值為 1.3 × 10⁶ A/W，以及超快光響應時間，其中 τ_r 為 90 ms，τ_d 為 1 ms。這些結果凸顯了該器件在弱光條件下對紫外線（UV）的卓越靈敏度和可靠性。在此基礎上，未來通過引入 HfO₂ 和 ZrO₂ 等高介電常數材料，可進一步提升光電晶體管的光電轉換效率。

圖1. (a)示意圖和(b)光學顯微鏡圖像顯示的β-Ga₂O₃ 日盲光電晶體管。 (c) β-Ga₂O₃ 外延薄膜的透射光譜。 (d)Al₂O₃/β-Ga₂O₃ 樣品的 Ga 3d 核心能級 XPS 光譜，包括有無 NH₃ 等離子體預處理的情況。

圖2. 光電晶體管的雙掃移轉曲線：（a）未處理和（b）經 NH₃ 處理。 （c）光電晶體管在兩個靜態偏壓下測得的脈沖輸出曲線比較：（c）未處理和（d）經 NH₃ 處理。

圖3. (a) 在254 nm波長下，不同光強照射下光電晶體管的傳輸特性。(b) I_ph、(c) PDCR和EQE以及(d) R 和 D* 在光功率密度中的關系。

圖4. (a) 在不同柵極電壓（V_G）下測得的噪聲功率譜。 (b) 1/f 噪聲下 D* 對頻率和柵極電壓（V_G）的依賴關系。 (c) 光電晶體管的歸一化時間依賴性漏極電流曲線。 (d) 在紫外光照射下 Ni/Al₂O₃/Ga₂O₃ 層的能帶圖。

圖5. 本研究中 D* 與 τ_d 的對比結果與其他已報道的 PDs 的對比。

DOI：

doi.org/10.1109/LED.2025.3545485

本文轉發自《亞洲氧化鎵聯盟》訂閱號