下一代半導體氧化鎵器件光電探測器應用與測試

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氧化鎵（Ga₂O₃）探測器是一種基于超寬禁帶半導體材料的光電探測器，主要用于日盲紫外光的探測。其獨特的物理化學特性使其在多個應用領域中展現(xiàn)出廣泛的前景。探測器性能由于材料不同、結構不同、制備工藝以及應用場景的不同的區(qū)別會有較大的性能差異。而性能指標之間往往存在制約，例如暗電流和輸出電流、靈敏度和響應度、可靠性和靈敏度等需要權衡和折中。對于性能表征也是如此，高響應度一定無法和高精度電流表征同時進行。Tektronix提供了多種性能、架構的測試儀器儀表，滿足探測器在不同極限維度下測試的需求。

氧化鎵的特性應用及探測器分類

氧化鎵的特性與應用

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材料，因為該波段的光在大氣中受到臭氧層的強烈吸收，地面背景干擾較小，能夠提供更高的探測精度。同時，氧化鎵最穩(wěn)定的異構體，β-Ga₂O₃的禁帶寬度達到4.8eV , 理論擊穿電場約8MV/cm。由此，巴利加優(yōu)值 (Baliga’s Figure of Merit) 高達3444, 遠超氮化鎵 (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體功率電子的候選材料。由于應用場景的不同，對于氧化鎵的單體以及參雜和器件制備及測試的思路都不用，本文重點談論氧化鎵在光電探測器的應用以及測試的方法。

探測器結構與類型

氧化鎵探測器的結構主要分為以下幾種類型：

■   金屬-半導體-金屬（MSM）型：這種結構簡單，響應度高，適合大規(guī)模集成，但有效光吸收面積較小。

■   肖特基結型：通過金屬和氧化鎵之間形成的肖特基勢壘，具有較快的響應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放大增益，適用于高響應速度的應用。

■   陣列型：主要用于大面積成像，適合需要廣泛覆蓋的應用場景。

氧化鎵探測器的分類

■   MSM型器件：由光敏材料及背靠背的 兩個肖特基接觸（具有整流電壓電流特性的金屬半導體接觸）電極構成，當外加偏壓施加在器件上時，其中一個肖特基結為正向偏置，另一個結為反向偏置，因此暗電流較小。同時器件還具有結構簡單、容易制備、結電容小等優(yōu)點。

■   肖特基結型器件：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體接觸）的兩個電極構成， 肖特基結型器件的光響應來源于光伏效應，可以在0V偏壓下工作。同時由于空間電荷區(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速度 。

■   異質結：由于Ga₂O₃高質量穩(wěn)定的p型摻雜還存在很大困難，限制了其pn同質結型器件的發(fā)展，因此通過將n型的Ga₂O₃和p型或n型的其他材料結合構成異質結型器件，可顯著降低暗電流，提高響應度。

氧化鎵探測器性能指標及測試方法

對于氧化鎵探測器的測試可以分為材料測試、器件本征分析（靜態(tài)）以及光電（動態(tài)）。材料測試通常利用TEM、XRD 等分析所制備材料等微觀晶體、薄膜結構、表面形貌等特征。本文旨對電學、光電特性進行簡單介紹。

本征分析主要包含：轉移特性曲線、輸出特征曲線，表征器件的控制以及載流子（電子-空穴對）在不同工況下的遷移特性，以及電學輸出特性。通過SMU源表和4200A-SCS參數分析儀可以輕松完成。需要根據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和型號。

SMU源表系列

24系列、26系列滿足不同測試精度的需求，特別針對于氧化鎵襯底、異質結等新型、創(chuàng)新性制備、結構設計等，高通量的載流子表征。

4200A-SCS參數分析儀

器件測試的利器，內建了氧化鎵光電測試模塊，覆蓋靜態(tài)、動態(tài)測試，同時可以增配CVU模塊，增加CV測試能力，可以對器件界面進行缺陷的定量測量。并且，可以控制外部脈沖源、示波器等，完成動態(tài)響應度測試。

圖 典型的β-Ga₂O₃探測器的轉移和輸出特性曲線^[3]

圖 測試框圖

特別對于光電類型的器件，需要表征輸入光到輸出電流的響應度特性。加之光電器件在沒有光照的時候，存在隨機的電子 - 空穴對的飄移所產生的暗電流，特別對于MSM和異質結類型的器件，暗電流的性能直接決定了不同材料之間在制備中的缺陷。

光響應度R=(JPhoto - JDark)/P

其中R是光響應度，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試對于測試儀器還是有很高要求的，電流在pA量級，需要高精度源表配合低漏流的探針臺才能做到該水平。推薦Keithley 2600系列源表，或4200A-SCS上增配PA模塊以達到pA的量級的精度、aA量級的分辨率。在測試系統(tǒng)中，光源的選擇決定于應用場景。可以改變激勵光源，實現(xiàn)波長依賴度的測試。不同的光源類型也決定了測試系統(tǒng)的成本。通?？梢赃xUV LED，包含了豐富的UV光譜，成本低廉，但是無法實現(xiàn)確定的波長；激光器、單色儀，波長選擇強，但是成本高。

氧化鎵動態(tài)參數測試所表征的主要是光電響應速度、響應穩(wěn)定度（光暗循環(huán)）等。響應時間指探測器從接收光信號到輸出電信號的時間。較短的響應時間意味著探測器能夠更快地檢測到光信號的變化 , 這對于需要實時監(jiān)測或高速通信的應用至關重要。響應穩(wěn)定度測試可以評估探測器在不同工作條件下（如溫度變化、長時間運行等）的性能一致性。確保探測器在各種環(huán)境下都能保持穩(wěn)定的響應時間和靈敏度，對于實際應用至關重要。

圖 氧化鎵典型的響應速度和穩(wěn)定性

對各類鎵基氧化物薄膜日盲紫外探測器性能對比，響應上升時間范圍在納秒級到秒級別，跨越了9個數量級，暗電流的范圍在皮安到納安量級。

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