Ga2O3材料是繼Si、SiC及GaN后的第四代寬禁帶半導體材料,其禁帶寬度高達4.9 eV,可定向檢測日盲波段的紫外光,且不受太陽光背景輻射的影響,使得該材料有天然的日盲特性。日盲紫外光電探測器憑借其良好的抗干擾能力在紫外通信、火災(zāi)監(jiān)測以及環(huán)境保護等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。近期,天津賽米卡爾科技有限公司技術(shù)團隊開發(fā)出了完善的Ga2O3材料數(shù)據(jù)庫,并利用TCAD仿真設(shè)計平臺搭建了如圖1所示的基于金屬柵結(jié)構(gòu)的Ga2O3/AlGaN/GaN基日盲紫外探測器。
圖1.(a)具有金屬柵結(jié)構(gòu)的Ga2O3/AlGaN/GaN日盲紫外探測器結(jié)構(gòu)示意圖;(a1)金屬柵區(qū)域的TEM圖像;(b)Ga2O3薄膜的高分辨率XRD搖擺曲線;(c)Ga2O3/AlGaN/GaN日盲紫外探測器結(jié)構(gòu)俯視圖;(d)Ga2O3/AlGaN/GaN日盲紫外探測器的能帶分布圖。
同時,技術(shù)團隊還系統(tǒng)地研究了金屬柵在黑暗和光照條件下對二維電子氣(2DEG)溝道的“開關(guān)”作用的影響。如圖2(a)-2(b)所示,在黑暗條件下,金屬柵對AlGaN層的耗盡作用有效地抑制了器件的暗電流,即表現(xiàn)為對2DEG溝道的“夾斷”作用。如圖2(c)-2(d)所示,在光照條件下,Ga2O3吸收層產(chǎn)生的光生電子在電場作用下輸運至2DEG溝道,補充了金屬柵下方被耗盡的電子,2DEG溝道重新導通,促進光生電子的快速輸運。
圖2.無光照情況下,日盲紫外探測器的(a)電子濃度的二維分布和(b)AlGaN/GaN區(qū)域的能帶分布圖;紫外光照射情況下,日盲紫外探測器的(c)電子濃度的二維分布和(d)AlGaN/GaN區(qū)域的能帶分布圖。
此外,如圖3所示,技術(shù)團隊將上述器件結(jié)構(gòu)的實驗測試結(jié)果與仿真計算結(jié)果進行了對比:由于測試設(shè)備精度的限制,實驗測試的暗電流無法達到理論計算值的量級,但獲得的實驗測試光電流與仿真計算的光電流在同一數(shù)量級水平,驗證Ga2O3材料信息數(shù)據(jù)庫的可行性。
圖3.(a)實驗測試的光電流和暗電流;(b)理論計算的光電流和暗電流;藍色虛線是測試系統(tǒng)的測試極限。
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