【会员论文】西电韩根全教授团队---通过NH₃等离子体预处理提升β-Ga₂O₃光电晶体管的光电性能，实现超灵敏日盲紫外线检测

        由西安电子科技大学韩根全教授研究团队在学术期刊 IEEE Electron Device Letters 发布了一篇名为 Enhanced Photoelectric Performance of β-Ga₂O₃ Phototransistors via NH₃ Plasma Pretreatment for Ultra-Sensitive Solar-Blind UV Detection（通过NH₃等离子体预处理提升 β-Ga₂O₃ 光电晶体管的光电性能，实现超灵敏日盲紫外线检测）的文章。

        日盲紫外（UV）探测器在火焰探测、空间通信、导弹预警等领域具有广泛应用。β−Ga₂O₃  因其 4.6-4.9 eV 的超宽禁带和本征日盲特性，成为制备高性能光电探测器的理想材料。传统的 β−Ga₂O₃ 肖特基或金属-半导体-金属（MSM）光电探测器通常由于低光增益而存在响应度低的问题。光电晶体管通过栅极调控提供更高光增益，是实现超高灵敏度日盲UV探测的有效途径。然而，β−Ga₂O₃ 基光电晶体管的性能常受限于介电层/半导体界面的缺陷态，这些缺陷态会捕获光生载流子，导致光响应速度慢、暗电流高和光电流不稳定。降低界面缺陷态密度是提高 β−Ga₂O₃ 光电晶体管性能的关键。

        本研究提出了一种具有卓越光电性能的 β-Ga₂O₃ 光电晶体管，其性能通过在 Al₂O₃ 绝缘层沉积前进行 NH₃ 等离子体预处理得到提升。该器件在254 nm紫外光（UV）照射下，实现了惊人的响应度（R）为 1.3×10⁶ A/W，以及创纪录的高探测率（D*）为 2.8×10¹⁹ Jones。在 1 Hz 脉冲紫外光源下，该器件展现出快速光响应特性，上升时间（τ_r）为 90 ms，衰减时间（τ_d）为1 ms。这些优异特性归因于 NH₃ 等离子体在 Al₂O₃/β-Ga₂O₃ 界面引发的改进，包括捕获密度降低和介电层粘附性增强。研究成果为开发具有超灵敏、日盲紫外线检测能力和快速响应性能的 β-Ga₂O₃ 光晶体管提供了有前景的途径。

        ● 系统的将 NH₃ 等离子体预处理引入到 β−Ga₂O₃ 光电晶体管的制备中，以优化介电层/半导体界面。

        本研究提出将 NH₃ 等离子体预处理作为提升 β-Ga₂O₃ 光电晶体管性能的有效方法，旨在解决Al₂O₃/β-Ga₂O₃ 界面处界面陷阱这一关键挑战。通过化学钝化表面缺陷，该方法显著提升了介电层附着力并降低了陷阱密度。因此，光电晶体管实现了创纪录的D^∗值为 2.8 × 10¹⁹ Jones，高R值为 1.3 × 10⁶ A/W，以及超快光响应时间，其中 τ_r 为 90 ms，τ_d 为 1 ms。这些结果凸显了该器件在弱光条件下对紫外线（UV）的卓越灵敏度和可靠性。在此基础上，未来通过引入 HfO₂ 和 ZrO₂ 等高介电常数材料，可进一步提升光电晶体管的光电转换效率。

图1. (a)示意图和(b)光学显微镜图像显示的β-Ga₂O₃ 日盲光电晶体管。 (c) β-Ga₂O₃ 外延薄膜的透射光谱。 (d)Al₂O₃/β-Ga₂O₃ 样品的 Ga 3d 核心能级 XPS 光谱，包括有无 NH₃ 等离子体预处理的情况。

图2. 光电晶体管的双扫移转曲线：（a）未处理和（b）经 NH₃ 处理。 （c）光电晶体管在两个静态偏压下测得的脉冲输出曲线比较：（c）未处理和（d）经 NH₃ 处理。

图3. (a) 在254 nm波长下，不同光强照射下光电晶体管的传输特性。(b) I_ph、(c) PDCR和EQE以及(d) R 和 D* 在光功率密度中的关系。

图4. (a) 在不同栅极电压（V_G）下测得的噪声功率谱。 (b) 1/f 噪声下 D* 对频率和栅极电压（V_G）的依赖关系。 (c) 光电晶体管的归一化时间依赖性漏极电流曲线。 (d) 在紫外光照射下 Ni/Al₂O₃/Ga₂O₃ 层的能带图。

图5. 本研究中 D* 与 τ_d 的对比结果与其他已报道的 PDs 的对比。

DOI：

doi.org/10.1109/LED.2025.3545485