【会员论文】ACS Nano丨厦门大学杨伟锋教授：氧化镓肖特基结场效应晶体管中光诱导耗尽区调制

        ACS Nano 是由 American Chemical Society 出版的国际顶级纳米科学期刊，专注于纳米尺度材料与器件的原创性突破研究。期刊聚焦结构—性能—机制的深度解析，强调跨学科融合与前沿创新，在纳米材料、能源器件、纳米电子及生物纳米技术等方向具有重要学术引领作用。该刊被 Web of Science 核心合集（SCIE）收录，长期位居材料科学与纳米科学领域 Q1 区前列，影响因子稳定在 16+，在全球纳米研究领域具有高度学术影响力与认可度。

        Ga₂O₃ 作为一种新兴的超宽带隙半导体，具有与低成本熔融生长方法兼容、高临界击穿场强、优异的热稳定性和化学惰性等显著材料特性。其 4.8 eV 的带隙和强深紫外吸收能力使其能够高效探测日盲辐射。值得注意的是，日盲光电晶体管是一种仅通过栅压调制就能显著抑制暗电流和降低噪声的三端器件。这种栅极驱动的载流子耗尽机制增强了光暗电流比和比探测率，超越了传统两端光电二极管的性能。目前，β-Ga₂O₃ 光电晶体管主要有两种器件结构：金属氧化物半导体场效应晶体管和金属半导体场效应晶体管。介质层沟道界面的陷阱会显著降低光电晶体管的性能，尤其是动态响应和光电特性。相比之下，金属半导体场效应晶体管结构减少了氧化物可靠性问题和界面陷阱密度，提供了更优的可扩展性。其中，二维层状材料与超宽带隙半导体的集成为高性能电子和光电器件提供了新的设计范式。特别是二维半金属由于其降低的维度导致的更强量子限域效应，展现出优异的电学和光电特性。因此，研究二维半金属与 β-Ga₂O₃ 之间的界面接触对于开发 MESFET 光电器件至关重要。

        该研究报道了一种基于 PtTe₂/β-Ga₂O₃ 范德华肖特基结的金属-半导体场效应晶体管（MESFET）结构。器件采用机械剥离的 β-Ga₂O₃ 纳米片作为沟道材料，半金属 PtTe₂ 作为肖特基接触栅极，通过干法转移技术构建无介质层的范德华异质结。MESFET 展现出优异的电学特性，包括 80 mV 的极小迟滞、约 10 fA 的超低关态电流以及超过 10⁸ 的开关电流比，这些性能指标显著优于传统底栅 MOSFET 结构。在光电探测性能方面，该器件在 -20 V 栅压下实现了 1.13×10⁹ 的超高光暗电流比（PDCR）。同时，器件还展现出 6.75×10⁴ A/W 的高响应度、3.3×10⁷ %的外量子效率（EQE）以及 4.46×10¹⁵ Jones 的高比探测率。这些优异性能主要归因于两个关键机制：一是顶栅结构通过静电调控有效调制耗尽区宽度，从而显著抑制暗电流；二是光照下PtTe₂/β-Ga₂O₃ 界面的协同响应产生增强光电流。开尔文探针力显微镜（KPFM）原位表征直接证实了光照导致结区内置电势从 414 meV 降低至 125 meV，表明耗尽区在光照射下发生显著收窄。此外，研究还揭示了光导效应与光栅效应之间的竞争关系：在强负栅压下以光栅效应为主导，光电流与光强呈超线性关系（指数 α 达 4.17）；而在较弱的负栅压下则转变为光导效应为主（α 接近 1）。这项工作为开发高灵敏度、高探测率的日盲光电探测器提供了新的设计范式，展示了二维半金属与超宽禁带半导体范德华异质结在多功能光电器件中的应用潜力。

        二维范德华肖特基结集成：首次利用顶栅 PtTe₂ 与 β-Ga₂O₃ 构建无介质层、原子级平整的范德华界面，有效解决了界面缺陷与费米能级钉扎问题。

        极高的日盲探测灵敏度：通过精准的栅极调制，实现了高达1.13×10⁹ 的光暗电流比及 6.75×10⁴ A/W的超高响应度。

        优异的晶体管电学性能：器件展现出仅约 10 fA 的极低关态电流和 80 mV 的微小迟滞，显著优于传统 MOSFET 结构 。

        揭示耗尽区协同调制机理：通过原位 KPFM 证实了光诱导下内置电势从 414 meV 降至 125 meV，明确了耗尽区缩窄与界面协同响应的增益机制。

        本研究成功证明了 PtTe₂/β-Ga₂O₃ 堆叠形成高质量范德华异质结，产生~10^-13 A的超低反向电流和~10⁷的整流比。MESFET 器件表现出最小滞后（~80 mV）、低至 10 fA 的关态漏电流以及接近 1×10⁸ 的开关电流比。与背栅 MOSFET 相比，MESFET器件显示出更高的阈值电压、更低的亚阈值摆幅、更高的跨导和可忽略的迟滞。在 V_GS=-20 V 的栅偏压下，SBPT 展现出优异的光响应特性，包括 PDCR 1.13×10⁹、EQE 3.3×10⁷ %、R 6.75×10⁴ A/W 和 D* 4.46×10¹⁵ Jones。这些出色性能源于顶栅诱导的耗尽区抑制暗电流，以及 254 nm 光照下 PtTe₂/β-Ga₂O₃ 界面协同响应产生的光电流增强。这些结果确立了 PtTe₂/β-Ga₂O₃ 肖特基结 MESFET 作为 DUV 探测的有前景平台，并为设计下一代高响应度光电探测器提供了关键见解。

图1. 范德华肖特基栅控β-Ga₂O₃ MESFET：(a) β-Ga₂O₃ SBPT 器件制备工艺示意图；(b) β-Ga₂O₃ MESFET器件的光学显微图像；(c) MESFET 中 PtTe₂ 与 β-Ga₂O₃ 界面的横截面TEM图像；(d) PtTe₂/β-Ga₂O₃ 的高分辨横截面TEM图像（比例尺5nm）；(e)PtTe₂、β-Ga₂O₃及 PtTe₂/β-Ga₂O₃ 结区的拉曼光谱；(f)PtTe₂ 和 β-Ga₂O₃ 厚度的三维和二维原子力显微镜形貌图。

图2. PtTe₂/β-Ga₂O₃肖特基异质结的特性：(a) 不同漏极电压(V_DS)下记录的PtTe₂晶体管转移特性(I_DS-V_GS)曲线；(b) 不同栅极电压(V_GS)下测量的PtTe₂晶体管输出特性(I_DS-V_DS)曲线；(c) PtTe₂传输线模型(TLM)器件的沟道长度相关电阻，通过线性拟合提取接触电阻(RC)，插图：PtTe₂ FET器件的光学图像；(d) 接触形成前后PtTe₂/β-Ga₂O₃异质结的能带示意图；(e,f) PtTe₂/β-Ga₂O₃结区域的开尔文探针力显微镜(KPFM)电位分布图及相应表面电位剖面；(g) PtTe₂/β-Ga₂O₃肖特基二极管的I-V特性曲线。

图3. β-Ga₂O₃顶栅MESFET的电学特性：(a,b) 器件在V_DS=0V时耗尽区随V_GS和V_DS变化的示意图：(I) V_GS<0，(II) 0>V_GS>V_p，(III) V_GS<V_P；以及在0>V_GS>V_P条件下：(IV)V_GS-V_P<V_DS，(V)V_GS-V_P=V_DS，(VI)V_GS-V_P>V_DS。(c,d) β-Ga₂O₃ TG-MESFET的输出特性(I_DS-V_DS)和转移特性(I_DS-V_GS)。(e) β-Ga₂O₃ MESFET的典型转移特性曲线(I_DS-V_GS)。

图4. PtTe₂/β-Ga₂O₃肖特基势垒光电晶体管的光电特性：(a)V_GS=-20 V时黑暗和光照条件下的输出特性曲线(I_DS-V_DS)；(b) V_DS= 5V时黑暗和254nm紫外光照下的转移特性曲线(I_DS-V_GS)；(c) 响应度(R)和比探测率(D*)随栅极电压的变化关系；(d)不同栅极电压下光电流对光强度的依赖性；(e)SBPT器件与最先进Ga₂O₃基紫外光电探测器在暗电流(I_dark)和光暗电流比(PDCR)方面的性能对比。

图5. PtTe_2/β-Ga₂O₃肖特基势垒光电晶体管的光电特性与工作机制。JFET光电晶体管在V_DS=5V时的光响应机制：(a)V_GS=-20V，(b)V_GS=0V。(c) 暗态和254nm光照下的表面电势分布。(d) 暗态和254nm光照下SiO₂/β-Ga₂O₃与SiO₂/PtTe₂界面的KPFM表面电势分布。(e)V_DS=0V时254nm光照下PtTe₂与β-Ga₂O₃的能带对齐关系。

DOI：

doi.org/10.1021/acsnano.5c21841