Balanced performance for β-Ga2O3 solar blind photodetectors: The role of oxygen vacancies

响应度 材料科学 光电探测器 光电子学 无定形固体 光电导性 量子效率 退火(玻璃) 溅射 紫外线 溅射沉积 薄膜 纳米技术 化学 复合材料 有机化学
作者
Jiang Wang,Yuanqiang Xiong,Lijuan Ye,Wanjun Li,Guoping Qin,Haibo Ruan,Hong Zhang,Liang Fang,Chunyang Kong,Honglin Li
出处
期刊:Optical Materials [Elsevier BV]
卷期号:112: 110808-110808 被引量:107
标识
DOI:10.1016/j.optmat.2021.110808
摘要

Gallium oxide (Ga2O3) is a natural candidate material for next-generation solar-blind photodetectors (PDs). At present, it remains challenging to tune a balanced performance with high responsivity and fast response speed for the metal-semiconductor-metal (MSM) PDs due to the specific internal gain and persistent photoconductivity (PPC) effect. Herein, a series of amorphous and β-phase Ga2O3 films with ultra-high transmittance (>95%) in the near ultraviolet–visible region are obtained by combing with magnetron sputtering and post-annealing. Then, we fabricated MSM solar-blind photodetectors based on amorphous and β-phase Ga2O3 films with different post-annealing temperatures. The results show that the amorphous Ga2O3 PD has higher responsivity (R), detectivity (D*) and external quantum efficiency (EQE), but its response speed is slow, and photo-to-dark current ratio (PDCR) and rejection ratio (R254/R365) are relatively low. In contrast, the devices fabricated based on high temperature annealed β-Ga2O3 films display faster response speed, higher PDCR and R254/R365, but lower R, D* and EQE. It is demonstrated that oxygen vacancies dominate the internal gain and PPC of the device, the concentration of which in turn determines the performance of the device. A β-Ga2O3 photodetector presented more balanced performance is obtained by properly controlling the concentration of oxygen vacancies.
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