中国科大零回滞氧化镓光电晶体管——从光电导效应到光栅效应

摘要

日盲紫外探测器在深空探索、火灾预警、光刻等关键领域应用广泛，探测需求多样化。中国科学技术大学龙世兵教授、胡芹研究员团队利用范德华堆叠构建了零回滞氧化镓日盲光电晶体管。该晶体管的光响应可在光电导（photoconduction）效应和光栅（photogating）效应间可控转变，从而实现探测性能的连续可控以应对多样化的探测需求。

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由于大气臭氧层的强烈吸收，日盲紫外波段（200-280 nm）的太阳光无法到达地表。因此，日盲紫外探测具有背景干扰极小的突出优点，在非视距通信、火焰监测、光电突触等领域具有广阔的应用前景。多样化的应用领域对日盲紫外探测器的性能参数提出了千差万别的要求。比如，非视距通信需要快的响应速度和低的暗电流，火焰监测要求高的灵敏度，而长的下降时间对于光电突触而言比较有利。高的器件性能可调控性可以拓展光电探测器的应用范围，从而实现单类探测器在多种不同领域的应用。通过栅压调制，氧化镓日盲光电晶体管的响应性能可以得到大范围的调控。

然而，已报道的氧化镓光电晶体管通常基于MOSFET结构，而传统氧化物-半导体的界面缺陷常常导致较大的回滞效应，这将严重阻碍器件的稳定运行。MESFET结构可以缓解晶体管中的回滞效应，但这种结构在氧化镓光电晶体管中的研究有限，同时其探测机理有待深入剖析。

中国科学技术大学国家示范性微电子学院龙世兵教授、胡芹研究员团队通过机械剥离和范德华堆叠构建了石墨烯-氧化镓MESFET光电晶体管。得益于石墨烯与氧化镓间高质量的范德华界面，器件展现出接近理论极限的亚阈值摆幅和极小的回滞效应。较小的亚阈值摆幅有利于提升器件的灵敏度，同时回滞效应的抑制有利于提升光电晶体管的运行稳定性。

此外，在该器件中观察到两种现象，1）当器件处于日盲光照射下时，晶体管的关断电流上升，且上升幅度与光照强度成正比，这是光电导效应的表现；2）器件的开启电压随光照强度的增强而不断向负压移动，这是光栅效应的表现。随着外加栅压的逐渐改变，器件中的主导光响应机理可以在这两种效应间发生连续的转变，从而实现对器件各项性能参数的调控。例如，光电导效应会带来比较快的下降速度，而光栅效应虽然能提升响应度，但通常以下降速度变慢为代价。因此，这两种机理的相互竞争为器件带来了良好的响应性能可调控性。

图1. （a）石墨烯-氧化镓MESFET光电晶体管结构示意图。（b）该晶体管在无光照时的零回滞转移特性曲线。（c）器件对不同强度254 nm光的响应。（d）随着栅极电压逐渐增大，器件的主导光响应机理逐渐从光电导效应转换到光栅效应。

该工作阐明了氧化镓MESFET光电晶体管性能可调控性的来源，为设计高性能可调控性的日盲光电探测器提供了参考。相关研究成果发表在Applied Physics Letters上。中国科学技术大学国家示范性微电子学院博士生谭鹏举为该论文第一作者，硕士研究生邹燕妮为该论文共同第一作者，赵晓龙博士后和胡芹研究员为该论文共同通讯作者。

文章信息

Hysteresis-free Ga₂O₃ solar-blind phototransistor modulated from photoconduction to photogating effect

Pengju Tan, Yanni Zou, Xiaolong Zhao*, Xiaohu Hou, Zhongfang Zhang, Mengfan Ding, Shunjie Yu, Xiaolan Ma, Guangwei Xu, Qin Hu, Shibing Long

APPLIED PHYSICS LETTERS

DOI：10.1063/5.0078904

来源：Mat+