【“源”察秋毫系列】下一代半導(dǎo)體氧化鎵器件光電探測(cè)器應(yīng)用與測(cè)試

氧化鎵（Ga2O3）探測(cè)器是一種基于超寬禁帶半導(dǎo)體材料的光電探測(cè)器，主要用于日盲紫外光的探測(cè)。其獨(dú)特的物理化學(xué)特性使其在多個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域中展現(xiàn)出廣泛的前景。探測(cè)器性能由于材料不同、結(jié)構(gòu)不同、制備工藝以及應(yīng)用場(chǎng)景的不同的區(qū)別會(huì)有較大的性能差異。而性能指標(biāo)之間往往存在制約，例如暗電流和輸出電流、靈敏度和響應(yīng)度、可靠性和靈敏度等需要權(quán)衡和折中。對(duì)于性能表征也是如此，高響應(yīng)度一定無(wú)法和高精度電流表征同時(shí)進(jìn)行。Tektronix提供了多種性能、架構(gòu)的測(cè)試儀器儀表，滿(mǎn)足探測(cè)器在不同極限維度下測(cè)試的需求。

氧化鎵的特性應(yīng)用及探測(cè)器分類(lèi)

氧化鎵的特性與應(yīng)用

氧化鎵具有4.4到5.3eV的超寬帶隙，能夠有效地覆蓋日盲波段（200-280nm）的紫外光。這一特性使得氧化鎵成為理想的日盲紫外探測(cè)材料，因?yàn)樵摬ǘ蔚墓庠诖髿庵惺艿匠粞鯇拥膹?qiáng)烈吸收，地面背景干擾較小，能夠提供更高的探測(cè)精度。同時(shí)，氧化鎵最穩(wěn)定的異構(gòu)體，β-Ga2O3的禁帶寬度達(dá)到4.8eV , 理論擊穿電場(chǎng)約8MV/cm。由此，巴利加優(yōu)值 (Baliga’s Figure of Merit) 高達(dá)3444, 遠(yuǎn)超氮化鎵 (GaN) 和碳化硅 (SiC)，這意味著其用于功率器件的潛力巨大 , 使其成為下一代半導(dǎo)體功率電子的候選材料。由于應(yīng)用場(chǎng)景的不同，對(duì)于氧化鎵的單體以及參雜和器件制備及測(cè)試的思路都不用，本文重點(diǎn)談?wù)撗趸壴诠怆娞綔y(cè)器的應(yīng)用以及測(cè)試的方法。

探測(cè)器結(jié)構(gòu)與類(lèi)型

氧化鎵探測(cè)器的結(jié)構(gòu)主要分為以下幾種類(lèi)型：

• 金屬 - 半導(dǎo)體 - 金屬（MSM）型：這種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，響應(yīng)度高，適合大規(guī)模集成，但有效光吸收面積較小。
• 肖特基結(jié)型：通過(guò)金屬和氧化鎵之間形成的肖特基勢(shì)壘，具有較快的響應(yīng)速度和較低的暗電流。
• 薄膜晶體管（TFT）型：能夠在抑制暗電流的同時(shí)放大增益，適用于高響應(yīng)速度的應(yīng)用。
• 陣列型：主要用于大面積成像，適合需要廣泛覆蓋的應(yīng)用場(chǎng)景。

氧化鎵探測(cè)器的分類(lèi)

• MSM型器件：由光敏材料及背靠背的 兩個(gè)肖特基接觸（具有整流電壓電流特性的金屬半導(dǎo)體接觸）電極構(gòu)成，當(dāng)外加偏壓施加在器件上時(shí)，其中一個(gè)肖特基結(jié)為正向偏置，另一個(gè)結(jié)為反向偏置，因此暗電流較小。同時(shí)器件還具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、容易制備、結(jié)電容小等優(yōu)點(diǎn)。
• 肖特基結(jié)型器件：由光敏材料與分別形成肖特基接觸和歐姆接觸（具有非整流電壓電流特性的金屬半導(dǎo)體接觸）的兩個(gè)電極構(gòu)成， 肖特基結(jié)型器件的光響應(yīng)來(lái)源于光伏效應(yīng)，可以在0V偏壓下工作。同時(shí)由于空間電荷區(qū)與電極緊鄰，更靠近表面，因此器件通常具有較高的外量子效率和較快的響應(yīng)速度 。
• 異質(zhì)結(jié)：由于Ga2O3高質(zhì)量穩(wěn)定的p型摻雜還存在很大困難，限制了其pn同質(zhì)結(jié)型器件的發(fā)展，因此通過(guò)將n型的Ga2O3和p型或n型的其他材料結(jié)合構(gòu)成異質(zhì)結(jié)型器件，可顯著降低暗電流，提高響應(yīng)度。

氧化鎵探測(cè)器性能指標(biāo)及測(cè)試方法

對(duì)于氧化鎵探測(cè)器的測(cè)試可以分為材料測(cè)試、器件本征分析（靜態(tài)）以及光電（動(dòng)態(tài)）。材料測(cè)試通常利用TEM、XRD 等分析所制備材料等微觀(guān)晶體、薄膜結(jié)構(gòu)、表面形貌等特征。本文旨對(duì)電學(xué)、光電特性進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。

本征分析主要包含：轉(zhuǎn)移特性曲線(xiàn)、輸出特征曲線(xiàn)，表征器件的控制以及載流子（電子-空穴對(duì)）在不同工況下的遷移特性，以及電學(xué)輸出特性。通過(guò)SMU源表和4200A-SCS參數(shù)分析儀可以輕松完成。需要根據(jù)掃描的電壓范圍和載流子的范圍確定所需要的儀器的具體參數(shù)和型號(hào)。

SMU源表系列

24系列、26系列滿(mǎn)足不同測(cè)試精度的需求，特別針對(duì)于氧化鎵襯底、異質(zhì)結(jié)等新型、創(chuàng)新性制備、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等，高通量的載流子表征。

4200A-SCS參數(shù)分析儀

器件測(cè)試的利器，內(nèi)建了氧化鎵光電測(cè)試模塊，覆蓋靜態(tài)、動(dòng)態(tài)測(cè)試，同時(shí)可以增配CVU模塊，增加CV測(cè)試能力，可以對(duì)器件界面進(jìn)行缺陷的定量測(cè)量。并且，可以控制外部脈沖源、示波器等，完成動(dòng)態(tài)響應(yīng)度測(cè)試。

圖：典型的β-Ga2O3探測(cè)器的轉(zhuǎn)移和輸出特性曲線(xiàn)[3]

圖：測(cè)試框圖

特別對(duì)于光電類(lèi)型的器件，需要表征輸入光到輸出電流的響應(yīng)度特性。加之光電器件在沒(méi)有光照的時(shí)候，存在隨機(jī)的電子 - 空穴對(duì)的飄移所產(chǎn)生的暗電流，特別對(duì)于MSM和異質(zhì)結(jié)類(lèi)型的器件，暗電流的性能直接決定了不同材料之間在制備中的缺陷。

光響應(yīng)度R = (JPhoto - JDark)/P

其中R是光響應(yīng)度，JPhoto是光電流密度，JDark是暗電流密度，P是入射光功率。

可以看到暗電流的測(cè)試對(duì)于測(cè)試儀器還是有很高要求的，電流在pA量級(jí)，需要高精度源表配合低漏流的探針臺(tái)才能做到該水平。推薦Keithley 2600系列源表，或4200A-SCS上增配PA模塊以達(dá)到pA的量級(jí)的精度、aA量級(jí)的分辨率。在測(cè)試系統(tǒng)中，光源的選擇決定于應(yīng)用場(chǎng)景?？梢愿淖兗?lì)光源，實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)依賴(lài)度的測(cè)試。不同的光源類(lèi)型也決定了測(cè)試系統(tǒng)的成本。通?？梢赃xUV LED，包含了豐富的UV光譜，成本低廉，但是無(wú)法實(shí)現(xiàn)確定的波長(zhǎng)；激光器、單色儀，波長(zhǎng)選擇強(qiáng)，但是成本高。

氧化鎵動(dòng)態(tài)參數(shù)測(cè)試所表征的主要是光電響應(yīng)速度、響應(yīng)穩(wěn)定度（光暗循環(huán)）等。響應(yīng)時(shí)間指探測(cè)器從接收光信號(hào)到輸出電信號(hào)的時(shí)間。較短的響應(yīng)時(shí)間意味著探測(cè)器能夠更快地檢測(cè)到光信號(hào)的變化 , 這對(duì)于需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)或高速通信的應(yīng)用至關(guān)重要。響應(yīng)穩(wěn)定度測(cè)試可以評(píng)估探測(cè)器在不同工作條件下（如溫度變化、長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行等）的性能一致性。確保探測(cè)器在各種環(huán)境下都能保持穩(wěn)定的響應(yīng)時(shí)間和靈敏度，對(duì)于實(shí)際應(yīng)用至關(guān)重要。

圖：氧化鎵典型的響應(yīng)速度和穩(wěn)定性

對(duì)各類(lèi)鎵基氧化物薄膜日盲紫外探測(cè)器性能對(duì)比，響應(yīng)上升時(shí)間范圍在納秒級(jí)到秒級(jí)別，跨越了9個(gè)數(shù)量級(jí)，暗電流的范圍在皮安到納安量級(jí)。

通常在測(cè)試ms量級(jí)的電流變化時(shí)，可以使用SMU，利用SMU的autoscale，如果需要us量級(jí)的時(shí)間測(cè)試，可以使用DMM6500，連接到測(cè)試系統(tǒng)中，進(jìn)行高速的電流采樣。同時(shí)兼容的較小的電流測(cè)試量程和測(cè)試精度。如果電流變化在ns量級(jí)，需要使用示波器來(lái)完成，但通常示波器的電流測(cè)試能力在mA量級(jí)，需要外部使用固定穩(wěn)定增益的TIA進(jìn)行放大。