In2O3:Ni/Ga2O3 Heterojunction Thin-Film Transistors for UV-C Photodetection
In2O3:Ni/Ga2O3 Heterojunction Thin-Film Transistors for UV-C Photodetection
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用于 UV-C 光电检测的 In2O3:Ni/Ga2O3 异质结薄膜晶体管
DOI：
10.1109/led.2023.3238350
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发表时间：
2023-03
影响因子：
4.9
通讯作者：
Yichun Liu
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Peng Li;Jiangang Ma;Huifang Wang;Weizhen Liu;Zhongshi Ju;Bingsheng Li;Haiyang Xu;Yichun Liu
宽带隙金属氧化物半导体（MOS），例如In2O3和Ga2O3，是多功能材料，可用作各种光电器件中的电子传输和感光层。然而，过多的自由电子或MOS本征缺陷导致的低载流子迁移率限制了这些器件的性能。目前的工作表明，受主掺杂和界面能带工程可用于实现适用于 UV-C 光电检测的高性能 MOS 薄膜晶体管 (TFT)。通过优化In2O3层中的Ni掺杂浓度和Ga2O3层的厚度来控制In2O3:Ni/Ga2O3异质结TFT的性能。结果，由于电子在栅极偏置应力下积累，阈值电压为 0.34 V，线性迁移率为 47 cm2/Vs，开/关电流比超过 <inline-formula> <tex-math notation="LaTeX">$10^{{7}}$ </tex-math></inline-formula>，并且在栅极偏压应力下获得较小的阈值电压偏移。 In2O3:Ni/Ga2O3 界面响应能带排列。在 UV-C 照明下，In2O3:Ni/Ga2O3 异质结 TFT 显示出高达 879 A/W 的响应度，即 UV-C/可见光抑制比 (<inline-formula> <tex-math notation="LaTeX">$\text{R}_{{254} \text {nm}}/\text{R}_{{400} \text {nm}}$ </tex-math></inline-formula>) <inline-formula> <tex-math notation="LaTeX">$9.5\times 10^{{3}}$ </tex-math></inline-formula>，检测率 <inline-formula> <tex-math notation="LaTeX">$4\times 10^{{16}}$ </tex-math></inline-formula> 琼斯。
Wide bandgap metal oxide semiconductors (MOS), such as In2O3 and Ga2O3, are multifunctional materials that can be used as electron transport and photosensitive layers in various optoelectronic devices. However, either the excessive free electrons or low carrier mobility caused by intrinsic defects of MOSs restrict the performance of these devices. The current work demonstrates that acceptor doping and interface energy band engineering can be used to achieve a high-performance MOS thin-film transistor (TFT) that is suitable for UV-C photodetection. The Ni doping concentration in the In2O3 layer and the thickness of the Ga2O3 layer are optimized to control the performance of the In2O3:Ni/Ga2O3 heterojunction TFTs. As a result, a threshold voltage of 0.34 V, linear mobility of 47 cm2/Vs, on/off current ratio over <inline-formula> <tex-math notation="LaTeX">$10^{{7}}$ </tex-math></inline-formula>, and small threshold voltage shift under gate bias stress are obtained, owing to the electron accumulation at the In2O3:Ni/Ga2O3 interface in response to the energy band alignment. Under UV-C illumination, the In2O3:Ni/Ga2O3 heterojunction TFT shows a large responsivity of 879 A/W, an UV-C/visible light rejection ratio (<inline-formula> <tex-math notation="LaTeX">$\text{R}_{{254} \text {nm}}/\text{R}_{{400} \text {nm}}$ </tex-math></inline-formula>) of <inline-formula> <tex-math notation="LaTeX">$9.5\times 10^{{3}}$ </tex-math></inline-formula>, and a detectivity of <inline-formula> <tex-math notation="LaTeX">$4\times 10^{{16}}$ </tex-math></inline-formula> Jones.
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