下一代半导体氧化镓基光电探测器的应用与测试研究

氧化镓(Ga₂O₃)探测器是一种基于超宽禁带半导体材料的光电探测器，主要用于日盲紫外光的探测。其独特的物理化学特性使其在多个应用领域中展现出广泛的前景。

探测器的性能因材料不同、结构不同、制备工艺及应用场景的不同而存在较大的差异。性能指标之间往往存在制约，如暗电流与输出电流、灵敏度与响应度、可靠性与灵敏度等需要权衡。对于性能表征也是如此，例如高响应度与高精度电流表征无法同时进行。为此，泰克科技(Tektronix)提供了多种性能和架构的测试仪器仪表，以满足探测器在不同极限条件下的测试需求。

氧化镓探测器性能指标及测试方法

对氧化镓探测器的测试可以分为材料测试、器件本征分析(静态)以及光电特性分析(动态)。材料测试通常利用透射电子显微镜(TEM)和X射线衍射仪(XRD)等工具来分析所制备材料的微观晶体结构、薄膜结构和表面形貌等特征。本文将重点介绍电学和光电特性的测试方法。

本征分析主要包含转移特性曲线和输出特征曲线，用以表征器件在不同工况下载流子(电子-空穴对)的迁移特性及其电学输出特性。SMU源表和4200A-SCS参数分析仪是完成此类测试的理想选择。根据扫描的电压范围和载流子浓度，可确定所需仪器的具体参数和型号。

• SMU源表系列：24系列、26系列满足不同测试精度的需求，适用于于氧化镓衬底、异质结等新型结构设计的高通量载流子表征。
• 4200A-SCS参数分析仪：作为器件测试的利器，内置了氧化镓光电测试模块，覆盖静态、动态测试，并可通过增配CVU模块实现CV测试能力，定量测量器件界面缺陷。该分析仪还可控制外部脉冲源和示波器等，完成动态响应度测试。

图：典型的β-Ga₂O₃探测器的转移和输出特性曲线^[3]

图：测试框图^[2]

特别地，对于光电类型的器件，需要表征输入光到输出电流的响应度特性。加之光电器件在没有光照的时候，存在随机的电子-空穴对飘移所产生的暗电流，特别对于MSM和异质结类型的器件，暗电流的性能直接决定了不同材料之间在制备中的缺陷。光响应度公式为：

R=(J_Photo-J_Dark)/P

其中，R是光响应度，J_Photo是光电流密度，J_Dark是暗电流密度，P是入射光功率。

可以看到，暗电流的测试对于测试仪器还是有很高要求的，电流在pA量级，需要高精度源表配合低漏流的探针台才能做到该水平。推荐Keithley 2600系列源表，或4200A-SCS上增配PA模块以达到pA的量级的精度、aA量级的分辨率。在测试系统中，光源的选择决定于应用场景。可以改变激励光源，实现波长依赖度的测试。不同的光源类型也决定了测试系统的成本。通常可以选UV LED，包含了丰富的UV光谱，成本低廉，但是无法实现确定的波长；激光器、单色仪，波长选择强，但是成本高。

氧化镓动态参数测试所表征的主要是光电响应速度、响应稳定度(光暗循环)等。响应时间指探测器从接收光信号到输出电信号的时间。较短的响应时间意味着探测器能够更快地检测到光信号的变化，这对于需要实时监测或高速通信的应用至关重要。响应稳定度测试可以评估探测器在不同工作条件下(如温度变化、长时间运行等)的性能一致性。确保探测器在各种环境下都能保持稳定的响应时间和灵敏度，对于实际应用至关重要。

图：氧化镓典型的响应速度和稳定性^[3]

根据文献^[1]对各类镓基氧化物薄膜日盲紫外探测器性能对比，响应上升时间范围在纳秒级到秒级，跨越了9个数量级，暗电流的范围在皮安到纳安量级。

通常在测试ms量级的电流变化时，可以使用SMU，利用SMU的autoscale，如果需要us量级的时间测试，可以使用DMM6500，连接到测试系统中，进行高速的电流采样。同时兼容的较小的电流测试量程和测试精度。如果电流变化在ns量级，需要使用示波器来完成，但通常示波器的电流测试能力在mA量级，需要外部使用固定稳定增益的TIA进行放大。

图：不用特性光电转换器响应时间测试所需的设备

氧化镓材料和器件背景知识

氧化镓的特性与应用

氧化镓具有4.4到5.3eV的超宽禁带，能够有效地覆盖日盲波段(200－280nm)的紫外光。这一特性使得氧化镓成为理想的日盲紫外探测材料，因为该波段的光在大气中受到臭氧层的强烈吸收，地面背景干扰较小，能够提供更高的探测精度。同时，氧化镓最稳定的异构体，β-Ga₂O₃的禁带宽度达到4.8eV，理论击穿电场约8MV/cm。由此，巴利加优值(Baliga's Figure of Merit)高达3444，远超氮化镓(GaN)和碳化硅(SiC)，这意味着其用于功率器件的潜力巨大，使其成为下一代半导体功率电子的候选材料。由于应用场景的不同，对于氧化镓的单体以及参杂和器件制备及测试的思路都不用，本文重点谈论氧化镓在光电探测器的应用以及测试的方法。

探测器结构与类型

氧化镓探测器的结构主要分为以下几种类型：

• 金属-半导体-金属(MSM)型：这种结构简单，响应度高，适合大规模集成，但有效光吸收面积较小。
• 肖特基结型：通过金属和氧化镓之间形成的肖特基势垒，具有较快的响应速度和较低的暗电流。
• 薄膜晶体管(TFT)型：能够在抑制暗电流的同时放大增益，适用于高响应速度的应用。
• 阵列型：主要用于大面积成像，适合需要广泛覆盖的应用场景。

氧化镓探测器的分类^[1]

• MSM型器件：由光敏材料及背靠背的两个肖特基接触(具有整流电压电流特性的金属半导体接触)电极构成，当外加偏压施加在器件上时，其中一个肖特基结为正向偏置，另一个结为反向偏置，因此暗电流较小。同时器件还具有结构简单、容易制备、结电容小等优点。

图：掺锡Ga₂O₃ MSM探测器原理图^[2]

• 肖特基结型器件：由光敏材料与分别形成肖特基接触和欧姆接触(具有非整流电压电流特性的金属半导体接触)的两个电极构成，肖特基结型器件的光响应来源于光伏效应，可以在0V偏压下工作。同时由于空间电荷区与电极紧邻，更靠近表面，因此器件通常具有较高的外量子效率和较快的响应速度。
• 异质结：由于Ga₂O₃高质量稳定的p型掺杂还存在很大困难，限制了其pn同质结型器件的发展，因此通过将n型的Ga₂O₃和p型或n型的其他材料结合构成异质结型器件，可显著降低暗电流，提高响应度。

参考文献

[1] DOI: 10. 37188/CJL. 20230146 镓基氧化物薄膜日盲紫外探测器研究进展

[2] Liu, Y.; Huang, R.; Lin, T.; Dang, J.; Huang, H.; Shi, J.; Chen, S. Preparation of Sn-Doped Ga2O3 Thin Films and MSM Ultraviolet Detectors Using Magnetron Co-Sputtering. Materials 2024, 17, 3227. https://doi.org/10.3390/ma17133227

[3] https://doi.org/10.1016/j.mtphys.2024.101380 Enhancement of photodetection performance of Ga2O3/Si heterojunction solar-blind photodetector using high resistance homogeneous interlayer