【会员论文】APL丨厦门大学杨伟锋教授团队：氧化镓光电探测器中自陷空穴释放与深能级缺陷复合的竞争机制

        由厦门大学杨伟锋教授团队在学术期刊Applied Physics Letters发表了一篇题为Competing Self-Trapped Hole Release and Deep-Level Defect Recombination in Ga₂O₃ Photodetectors论文，通过采用等离子体辅助分子束外延(PAMBE)，在蓝宝石和4H-SiC衬底上分别制备了(-201)和(400)取向的 β-Ga₂O₃薄膜，系统比较了二者的晶体质量与缺陷特征，并系统研究了基于两种薄膜制备光电探测器的变温光电响应性能。研究发现，(-201)-β-Ga₂O₃薄膜界面陡峭、缺陷密度较低，其光电探测器表现出非单调光电流行为，源于自陷空穴的热激活释放；而(400)-β-Ga₂O₃薄膜因存在非晶SiOₓ界面层，位错和氧空位密度更高，深能级缺陷复合中心有效抑制了自陷空穴贡献，促使光电流单调下降，同时获得更快的响应速度。该工作揭示了自陷空穴释放与深能级缺陷复合之间的竞争机制，为通过衬底与取向调控优化β-Ga₂O₃日盲光电探测器性能提供了重要参考。

        氧化镓作为一种超宽禁带半导体材料，具有约4.5-4.9 eV的带隙、高达8 MV/cm的临界击穿场强以及接近3000的Baliga优值，在高压功率电子与深紫外光电子器件领域展现出重要的应用潜力。然而，其光电探测器的性能显著受缺陷影响，点缺陷与位错会在带隙内引入局域能级，进而调控载流子动力学与温度相关的光响应行为。其中，自陷空穴(STHs)相关的H1能级可在约0.2 eV的激活能下被热激发，释放可迁移空穴并贡献光电流；而E2和H3等深能级缺陷则作为非辐射复合中心，影响载流子的传输行为。然而，不同取向β-Ga₂O₃薄膜之间的缺陷差异及其对探测性能的影响仍缺乏系统认识。因此，理解自陷空穴释放与深能级缺陷复合之间的竞争关系，并建立取向-缺陷-光电响应之间的关联，成为该研究的重要切入点。

        本研究采用PAMBE策略，分别在蓝宝石与4H-SiC衬底上实现了(-201)取向与(400)取向β-Ga₂O₃薄膜的外延生长。通过对异质界面结构、缺陷特征及载流子动力学的系统表征，研究发现，蓝宝石基薄膜形成了原子级锐利的Ga₂O₃/Sapphire界面，而SiC基薄膜则存在非晶 SiOₓ界面层，二者在螺位错密度与氧空位浓度上表现出显著差异。实验结果显示，(-201)取向薄膜的螺位错密度为4.11×10¹⁰ cm⁻²，氧空位EPR信号较弱；而(400)取向薄膜的螺位错密度高达1.21×10¹² cm⁻²，氧空位信号显著增强。对应器件方面，(-201)取向光电探测器在254 nm光照下的光电流随温度呈非单调变化，由25 ℃的93.3 μA降至150 ℃的9.7 μA，并在200 ℃回升至13.3 μA；而(400)取向光电探测器则呈单调下降趋势。进一步结合变温瞬态光电流测试与 Arrhenius分析，研究团队提取了慢响应分量的激活能，其中(-201) 取向器件在高温区为211 meV(上升)与 186 meV(衰减)，归因于自陷空穴的热释放；而(400) 取向器件的高温区激活能高达406 meV与782 meV，揭示了深能级缺陷复合中心对载流子的主导作用，为理解β-Ga₂O₃光电探测器中自陷空穴释放与深能级缺陷复合之间的竞争机制提供了实验依据。

        ① 取向可控外延与界面构建：通过取向可控的氧化镓异质外延策略，成功实现(-201)取向与 (400)取向薄膜的可控生长，并形成两种截然不同的晶态界面。

        ② 取向对缺陷构型的调控规律：(-201)取向薄膜表现出较低的螺位错密度与较少的氧空位，而(400)取向薄膜的缺陷密度高出约两个数量级，揭示了取向与缺陷构型之间的强关联。

        ③ 温度依赖光响应的机制竞争：随温度升高，(-201)取向光电探测器因自陷空穴释放呈非单调光电流行为(先下降、200 ℃ 时回升 35.4%)，而(400)取向光电探测器则由深能级缺陷复合主导，呈持续单调下降。

        ④ 缺陷介导的快速开关特性：(400)取向光电探测器在200 ℃下实现显著更快的响应，上升时间τ_r1=9 ms、衰减时间τ_d1=139 ms，远优于(-201)取向器件的τ_r1=362 ms与τ_d1=557 ms，归因于丰富的深能级缺陷作为复合中心大幅缩短了载流子寿命。

        本研究通过取向可控的外延策略，在β-Ga₂O₃中实现了(-201)取向与(400)取向薄膜的可控生长，并形成了两种截然不同的晶态界面。结构表征表明，(-201)取向薄膜具有较低的螺位错密度与较少的氧空位，而(400)取向薄膜的缺陷密度高出约两个数量级。这种取向依赖的缺陷构型直接决定了器件的光响应行为：(-201)取向光电探测器因自陷空穴的热释放表现出非单调光电流，在200 ℃时回升35.4%；而(400)取向光电探测器则由深能级缺陷复合主导，光电流随温度单调下降。此外，丰富的复合中心显著缩短了载流子寿命，使(400)取向器件在200 ℃下实现了更快的开关速度，其上升时间τ_r1=9 ms、衰减时间τ_d1=139 ms，远优于 (-201) 取向器件的τ_r1=362 ms与τ_d1=557。本研究揭示了取向-缺陷-光响应之间的内在关联，阐明了自陷空穴释放与深能级复合之间的竞争机制，为β-Ga₂O₃日盲光电探测器的缺陷工程与性能调控提供了实验依据。

        本研究得到深圳市科技计划项目(JCYJ20240813145617023)、国家自然科学基金(62171396)以及国家自然科学基金青年科学基金项目(62304187)的资助。

图 1. 不同取向外延β-Ga₂O₃薄膜的结构与缺陷分析：(a) (-201) 取向β-Ga₂O₃薄膜的XRDθ-2θ衍射图谱，(b) (-201)取向β-Ga₂O₃薄膜的XRD ω扫描曲线，(c) (400)取向β-Ga₂O₃薄膜的XRD ω扫描曲线，(d) (-201)取向与(400)取向β-Ga₂O₃薄膜的EPR表征。

图 2. 不同取向外延β-Ga₂O₃薄膜的界面分析：(a) Sapphire/(-201)-Ga₂O₃界面的HRTEM图像，(b) 元素分布图，(c) FFT花样；(d) SiC/(400)-Ga₂O₃界面的HRTEM图像，(e) 元素分布图，(f) FFT花样。

图 3. MSM-PD的器件性能：(a) Ga₂O₃ MSM-PD结构示意图，(b) (-201)取向PD的暗电流，(c) (400)取向PD的暗电流，(d-f) (-201)取向PD在不同温度下的光电流、R和D^*，(g-i) (400) 取向PD在不同温度下的光电流、R和D^*。

图 4. 温度依赖的瞬态响应与激活能提取：(a) (-201)取向PD在不同温度下的上升与衰减时间，(b, c) (-201)取向PD慢上升与慢衰减分量的 Arrhenius图，(d) (400)取向PD的上升与衰减时间，(e, f) (400)取向PD慢上升与慢衰减分量的 Arrhenius 图。

图 5. 不同温度下β-Ga₂O₃ PD的载流子传输机制：(a) (-201)取向的PD，(b) (400) 取向 的PD。

        厦门大学功率半导体实验长期从事宽禁带半导体材料与器件的基础科学、工程技术和产业应用领域的创新探索研究，主要研究内容包括氮化镓和氧化镓等的外延生长与掺杂机制、芯片设计与模拟仿真、芯片制备与模块集成，研制一系列SBD/MOSFET/HEMT功率器件和SBD/MSM/PN/APD光电器件，包括: ①研制650V 氮化镓HEMT系列芯片，导通电阻规格为350mΩ/50mΩ/25mΩ/10mΩ等，其中10mΩ E-mode GaN HEMT芯片是全球同类规格的最低导通电阻；②独特的原子氮表面处理和CuCrO2异质结技术，研制650V/1200V/3000V系列氧化镓功率器件。

课题组主页：

http://team.xmu.edu.cn/XMU_PSL/zh_CN/index.htm

        许帅航，厦门大学电子科学与技术学院集成电路科学与工程专业博士生，主要研究在分子束外延和金属有机化合物化学气相沉积氧化镓的外延生长、光电与功率器件设计与制备。

        孙存志，获厦门大学微电子学与固体电子学博士学位，随后先后在丹麦技术大学担任访问研究员、在厦门大学从事博士后研究。现任厦门海洋职业技术学院副教授。其研究兴趣集中于面向光电子应用与电力电子的宽禁带半导体。

DOI: 

10.1063/5.0349846