信息科学与工程学院方志来团队在p型氧化镓深紫外日盲探测器研究中取得重要进展

作者:摄影: 视频: 来源:信息科学与工程学院发布时间:2020-05-18

近日,信息科学与工程学院教授方志来研究团队在高质量p型β-氧化镓薄膜与高性能MSM型深紫外日盲光电探测器研究上取得重要进展。5月15日,相关研究结果以“P-type β-Ga2O3 metal-semiconductor-metal solar-blind photodetectors with extremely high responsivity and gain-bandwidth product”为题,在线发表于Materials Today Physics(https://doi.org/10.1016/j.mtphys.2020.100226)。

超宽禁带半导体氧化镓在紫外透明电极、高温气敏传感、深紫外探测以及高压功率器件等领域具有重要的应用潜力,其材料生长与器件制备技术备受关注。

目前,氧化镓的p型掺杂仍面临巨大挑战。然而,这是高性能的氧化镓光电器件和电子器件应用必须面对和解决的核心科学问题。P型氧化镓制备困难主要源于其价带组成(深受主能级与空穴自陷等)、生长技术(材料缺陷引入自补偿效应)与掺杂技术(掺杂剂溶解度低)等问题。目前国际上尚未能制备出p型氧化镓薄膜材料。实现高质量的p型氧化镓薄膜材料制备具有非常重要的科学意义和应用价值,不仅可为宽禁带氧化物半导体的p型掺杂提供新思路,还将极大地推动氧化镓基光电器件和电子器件的应用进展。

最近,方志来团队采用固-固相变原位掺杂技术,同时实现了高掺杂浓度、高晶体质量与能带工程,从而部分解决了氧化镓的p型掺杂困难问题,在国际上首次成功制备了蓝宝石衬底上的p型掺杂-氧化镓薄膜:室温霍尔载流子迁移率41.4 cm2/V·s,室温霍尔空穴浓度2.86×1015 cm-3,霍尔电阻率52.6 Ωcm。获得的p型-氧化镓薄膜与器件的电学特性在5个月测试周期内保持稳定。

由于缺乏p型氧化镓材料,p型氧化镓基深紫外光电探测器鲜有报道。方志来团队基于p型氧化镓薄膜制备的MSM型深紫外日盲光电探测器具有极高响应度(9.5×103 A/W)、外量子效率(4.7×106 %)、探测率(1.5×1015 Jones)与增益带宽积(106)(如图1和图2所示),这归因于高质量的氮掺杂p型氧化镓薄膜与其特有的激子集体激发效应,这对p型宽禁带氧化物半导体深紫外光电探测器研究具有借鉴意义。高质量的p型氧化镓材料与高性能的深紫外日盲光电探测器的成功制备可望推动氧化镓材料在光电器件与电子器件领域的应用进展。

图1 不同薄膜材料制备的深紫外光电探测器的响应度和探测率

图2 不同薄膜材料制备的深紫外光电探测器的响应度、响应速度与增益带宽积

碳化硅、氮化镓、氧化镓等第三代(宽禁带)半导体材料具有耐高压、耐高温、高频、抗辐射能力强等特点,是支撑新一代信息技术、节能减排和智能制造的核心材料,在固态照明、新一代移动通信、智能电网、高铁、新能源汽车、消费类电子领域拥有广阔的应用前景。

该工作是由方志来团队同上海大学张统一院士、厦门大学康俊勇教授、南京大学叶建东教授、复旦大学张国旗教授和张浩副教授等团队合作完成的。复旦大学为论文的第一单位,蒋卓汛和吴征远为共同第一作者,方志来为通讯作者。蒋卓汛为方志来在复旦大学指导的第一位硕士生,已以第一作者发表影响因子大于10的期刊论文2篇,申请氧化镓发明专利多项。吴征远博士(博士生导师为方志来)入选了2019年度“博新计划”,博士后合作导师为张国旗和方志来。

制图:实习编辑:何叶责任编辑:李沁园

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