【国内论文】松山湖材料实验室梅增霞研究团队---探究 β-Ga₂O₃/SiO₂ TFT 中的界面态，实现高响应宽带光电探测

        近期，由松山湖材料实验室的研究团队在学术期刊 Applied Physics Letters 发布了一篇名为 Probing interfacial states in β-Ga₂O₃/SiO₂ TFTs for high-response broad-band photodetection（探究 β-Ga₂O₃/SiO₂ TFT 中的界面态，实现高响应宽带光电探测）的文章。该篇文章被期刊 Applied Physics Letters 编辑评选为精选文章。

        松山湖材料实验室（以下简称“实验室”）坐落于粤港澳大湾区重要节点城市东莞，于 2017 年 12 月 22 日启动建设，2018 年 4 月完成注册，是广东省第一批省实验室之一，布局有前沿科学研究、公共技术平台和大科学装置、创新样板工厂、粤港澳交叉科学中心四大核心板块，探索形成“前沿基础研究→应用基础研究→产业技术研究→产业转化”的全链条创新模式，定位于成为有国际影响力的新材料研发南方基地、国家物质科学研究的重要组成部分、粤港澳交叉开放的新窗口。

        该项目的研究得到国家自然科学基金（批准号：12174275、62174113 和 62204169）、山东省高校青年创新团队计划（批准号：2022KJ223）和山东省自然科学基金（批准号：ZR2021QF020）的资助。

        随着对高功率器件和日盲紫外光检测技术的需求不断上升，β-Ga₂O₃ 因其超宽带隙（约4.85 eV）、高击穿强度（可达 8 MV/cm）等优异特性，被视为未来高性能电子器件的重要候选材料。β-Ga₂O₃ 的薄片仍可通过机械剥离获得，并用于制备薄膜晶体管（Thin-Film Transistor）。然而，在 β-Ga₂O₃ 与 SiO₂ 界面处不可避免地产生的界面缺陷将严重影响器件的导电性和载流子传输，同时也影响光生载流子的有效分离，从而导致持续光电导性等问题。因此，深入探究并定量表征 β-Ga₂O₃/SiO₂ 界面处的缺陷状态对于优化器件性能具有重要意义。

        通过机械剥离获得的 β-Ga₂O₃ 薄片保留了块状材料的单晶特性，便于集成，但其界面缺陷严重影响器件性能。本文中，研究团队对 β-Ga₂O₃/SiO₂ 薄膜晶体管中的界面态进行了定量表征，并提出其在实现高响应宽带光探测中的应用潜力。采用光激发电荷收集光谱技术（PCCS）探测界面态，揭示了界面深能级态密度高达 ~4 × 10¹² cm⁻² eV⁻¹，能级范围位于导带下方 2.5 到 3.7 eV 之间。值得注意的是，利用这些界面态，实现了高达 2 × 10⁴ A/W 的光响应率，并获得了可调的宽带响应范围（335 到 496 nm）。该研究不仅推动了成熟的硅基工业技术和新兴的 β-Ga₂O₃ 技术的发展，还提出了一个深刻的理念：曾被视为缺陷的特性，在深入理解后可转化为优势。

        利用机械剥离法从(-201)取向的 β-Ga₂O₃ 块状晶体中获得微带（micro-belt），并将其剥离后转移到 110 nm 厚SiO₂/p⁺⁺-Si 衬底上。

        微带在(100)晶面进行裁切，其长轴与晶体 b 轴方向一致，短轴沿 c 轴；器件沟道宽度（W）约 3.4 μm，长度（L）约 19 μm。

        利用溅射法沉积 Ti/Au（26 nm/40 nm）金属层，通过剥离法刻蚀图案形成源极和漏极。

        通过测试转移特性曲线、输出曲线等确认器件在增强型下具有低阈值、电流开关迅速、低静态功耗等特点；在光照测试中，器件的阈值电压（V_TH）因界面缺陷的光激发而发生明显负向移动。

        为定量分析界面缺陷，通过 PECCS-IV 技术，通过 C-V 和 I-V 测量方法，在单色光（波长从 1000 nm 至 270 nm，递减 5 nm）激发下，对界面陷阱能级及其分布进行了测定。

        在紫外（UV）254 nm 光照下，漏极电流从 3.81×10^-14 A 显著升至 3.07×10^-6 A，产生了 8.06×10⁷ 的巨大光致暗电流比 (PDCR)。在 254、300 和 400 nm 波长的光照下，记录了 1000 秒的光电流衰减时间。

        （1）该团队利用 PECCS-IV 实现了对 β-Ga₂O₃/SiO₂ 界面深能级缺陷探测，弥补了传统 PL、DLTS 等技术的不足。

        （2）传统上界面缺陷被视为不利因素，而该团队提出通过合理利用这些界面缺陷，可以实现光电检测性能的显著提升，实现高响应和宽光谱响应。

        （3）通过同时调节栅偏和光照条件，器件实现了电光双重调控，为未来集成电路和高性能光探测器的设计提供了新的思路。

        该团队通过 PECCS-IV 技术全面表征了 β-Ga₂O₃/SiO₂ 界面处的深能级缺陷，发现这些界面陷阱的能级分布在距离导带最低点 2.5–3.7 eV 之间，其密度约为 4×10¹² cm⁻² eV⁻¹。研究证明，虽然界面缺陷通常会影响器件性能，但在本研究中，利用这些缺陷反而实现了高响应、宽带光检测。器件在光照下可获得高达 2×10⁴ A/W 的光响应率，同时可通过栅偏和光激发实现精确调控。该成果不仅为 β-Ga₂O₃ 基器件的界面工程提供了深入见解，也为硅基技术与新兴 β-Ga₂O₃ 技术的集成应用开辟了新的可能。

图 1. β-Ga₂O₃/SiO₂ TFT 的结构和电学特性。(a) β-Ga₂O₃/SiO₂ TFT 的原理图、(b) 显微镜照片、(c) AFM 图像、(d) 传输和 (e) 输出曲线。

图 2. β-Ga₂O₃/SiO₂ TFT 在光照下的电气测试。(a) V_DS = 1 V 时的传输曲线，(b) 线性和（c）对数刻度下光照下 V_GS = 3 V 时的输出曲线。

DOI：

https://doi.org/10.1063/5.0238245