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Photocarrier transport reconstruction and dramatical performance enhancement in ultrawide-bandgap ε-Ga2O3 photodetectors via surface defect passivation

钝化 光电探测器 材料科学 响应度 光电子学 暗电流 光电流 光电导性 半导体 带隙 载流子寿命 图层(电子) 纳米技术
作者
Wenrui Zhang,Wei Wang,Jingxuan Wei,Shihong Xia,Jianguo Zhang,Li Chen,Dongyang Han,Keming Jiang,Zhenhai Yang,Shen Hu,Ji Li,Jichun Ye
出处
期刊:Materials Today Physics [Elsevier BV]
卷期号:38: 101280-101280 被引量:15
标识
DOI:10.1016/j.mtphys.2023.101280
摘要

The semiconductor surface is a major platform dictating carrier transport and recombination, in particular for planar photoconductive devices such as metal-semiconductor-metal (MSM) photodetectors. Here we demonstrate the integration of an ultrathin Al2O3 capping layer to effectively passivate the surface defects of epitaxial ε-Ga2O3 films and substantially enhance the photodetector performance. Incorporating an Al2O3 layer is found to significantly reduce the dark current of ε-Ga2O3 MSM photodetectors by more than three orders of magnitude, and simultaneously enhance the photocurrent and the response speed. With an ultrathin Al2O3 surface layer, the Al2O3/ε-Ga2O3 MSM photodetector achieves a superhigh responsivity of >104 A/W, a detectivity of >1016 Jones with a photo-to-dark ratio of >107, an UV–vis rejection ratio of >104 and millisecond response time for continuous-wave illumination. The surface passivation mechanism is analyzed by combined X-ray photoemission spectroscopy, secondary ion mass-spectroscopy and numerical calculations. It is revealed that the Al2O3 capping layer passivates the surface defects that are in the form of reduced tin species and oxygen vacancies, and reconstructs a faster surface transport channel for more efficient photocarrier collection. This study expands the design concept of surface passivation with ultrawide bandgap semiconductors for developing efficient deep ultraviolet photodetectors.
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