【導讀】氧化镓（Ga2O3）探(tan)測(ce)器(qi)是(shi)一(yi)種(zhong)基(ji)於(yu)超(chao)寬(kuan)禁(jin)帶(dai)半(ban)導(dao)體(ti)材(cai)料(liao)的(de)光(guang)電(dian)探(tan)測(ce)器(qi)，主(zhu)要(yao)用(yong)於(yu)日(ri)盲(mang)紫(zi)外(wai)光(guang)的(de)探(tan)測(ce)。其(qi)獨(du)特(te)的(de)物(wu)理(li)化(hua)學(xue)特(te)性(xing)使(shi)其(qi)在(zai)多(duo)個(ge)應(ying)用(yong)領(ling)域(yu)中(zhong)展(zhan)現(xian)出(chu)廣(guang)泛(fan)的(de)前(qian)景(jing)。探(tan)測(ce)器(qi)性(xing)能(neng)由(you)於(yu)材(cai)料(liao)不(bu)同(tong)、結構不同、製備工藝以及應用場景的不同的區別會有較大的性能差異。而性能指標之間往往存在製約

，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。對於性能表征也是如此，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。

氧化镓（Ga2O3）探(tan)測(ce)器(qi)是(shi)一(yi)種(zhong)基(ji)於(yu)超(chao)寬(kuan)禁(jin)帶(dai)半(ban)導(dao)體(ti)材(cai)料(liao)的(de)光(guang)電(dian)探(tan)測(ce)器(qi)
，主(zhu)要(yao)用(yong)於(yu)日(ri)盲(mang)紫(zi)外(wai)光(guang)的(de)探(tan)測(ce)。其(qi)獨(du)特(te)的(de)物(wu)理(li)化(hua)學(xue)特(te)性(xing)使(shi)其(qi)在(zai)多(duo)個(ge)應(ying)用(yong)領(ling)域(yu)中(zhong)展(zhan)現(xian)出(chu)廣(guang)泛(fan)的(de)前(qian)景(jing)。探(tan)測(ce)器(qi)性(xing)能(neng)由(you)於(yu)材(cai)料(liao)不(bu)同(tong)、結構不同、製備工藝以及應用場景的不同的區別會有較大的性能差異。而性能指標之間往往存在製約，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。對於性能表征也是如此，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。

氧化镓的特性應用及探測器分類

氧化镓的特性與應用

氧化镓具有4.4到5.3eV的超寬帶隙，能夠有效地覆蓋日盲波段（200-280nm）的de紫zi外wai光guang。這zhe一yi特te性xing使shi得de氧yang化hua镓jia成cheng為wei理li想xiang的de日ri盲mang紫zi外wai探tan測ce材cai料liao
，因yin為wei該gai波bo段duan的de光guang在zai大da氣qi中zhong受shou到dao臭chou氧yang層ceng的de強qiang烈lie吸xi收shou，地di麵mian背bei景jing幹gan擾rao較jiao小xiao，能neng夠gou提ti供gong更geng高gao的de探tan測ce精jing度du。同tong時shi，氧yang化hua镓jia最zui穩wen定ding的de異yi構gou體ti，β-Ga2O3的禁帶寬度達到4.8eV , 理論擊穿電場約8MV/cm。由此
，巴利加優值 (Baliga’s Figure of Merit) 高達3444, 遠超氮化镓 (GaN) 和碳化矽 (SiC)，這意味著其用於功率器件的潛力巨大 , 使shi其qi成cheng為wei下xia一yi代dai半ban導dao體ti功gong率lv電dian子zi的de候hou選xuan材cai料liao。由you於yu應ying用yong場chang景jing的de不bu同tong，對dui於yu氧yang化hua镓jia的de單dan體ti以yi及ji參can雜za和he器qi件jian製zhi備bei及ji測ce試shi的de思si路lu都dou不bu用yong
，本ben文wen重zhong點dian談tan論lun氧yang化hua镓jia在zai光guang電dian探tan測ce器qi的de應ying用yong以yi及ji測ce試shi的de方fang法fa。

探測器結構與類型

氧化镓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，適合大規模集成
  ，但有效光吸收麵積較小。

• 肖特基結型：通過金屬和氧化镓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：能夠在抑製暗電流的同時放大增益，適用於高響應速度的應用。

• 陣列型：主要用於大麵積成像
  ，適合需要廣泛覆蓋的應用場景。

氧化镓探測器的分類

• 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(dian)極(ji)構(gou)成(cheng)，當(dang)外(wai)加(jia)偏(pian)壓(ya)施(shi)加(jia)在(zai)器(qi)件(jian)上(shang)時(shi)，其(qi)中(zhong)一(yi)個(ge)肖(xiao)特(te)基(ji)結(jie)為(wei)正(zheng)向(xiang)偏(pian)置(zhi)
  ，另(ling)一(yi)個(ge)結(jie)為(wei)反(fan)向(xiang)偏(pian)置(zhi)，因(yin)此(ci)暗(an)電(dian)流(liu)較(jiao)小(xiao)。同(tong)時(shi)器(qi)件(jian)還(hai)具(ju)有(you)結(jie)構(gou)簡(jian)單(dan)、容易製備、結電容小等優點。

• 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於光伏效應，可以在0V偏壓下工作。同時由於空間電荷區與電極緊鄰，更靠近表麵
  ，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：由於Ga2O3高質量穩定的p型摻雜還存在很大困難，限製了其pn同質結型器件的發展，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。

氧化镓探測器性能指標及測試方法

對於氧化镓探測器的測試可以分為材料測試、器件本征分析（靜態）以及光電（動態）。材料測試通常利用TEM、XRD 等分析所製備材料等微觀晶體、薄膜結構、表麵形貌等特征。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，表征器件的控製以及載流子（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參數分析儀可以輕鬆完成。需要根據掃描的電壓範圍和載流子的範圍確定所需要的儀器的具體參數和型號。

SMU源表係列

24係列、26係列滿足不同測試精度的需求，特別針對於氧化镓襯底、異質結等新型

、創新性製備、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，內建了氧化镓光電測試模塊，覆蓋靜態、動態測試

，同時可以增配CVU模塊，增加CV測試能力
，可以對器件界麵進行缺陷的定量測量。並且，可以控製外部脈衝源、示波器等，完成動態響應度測試。

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

特別對於光電類型的器件，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，特別對於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製備中的缺陷。

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於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台才能做到該水平。推薦Keithley 2600係列源表，或4200A-SCS上增配PA模塊以達到pA的量級的精度、aA量(liang)級(ji)的(de)分(fen)辨(bian)率(lv)。在(zai)測(ce)試(shi)係(xi)統(tong)中(zhong)，光(guang)源(yuan)的(de)選(xuan)擇(ze)決(jue)定(ding)於(yu)應(ying)用(yong)場(chang)景(jing)。可(ke)以(yi)改(gai)變(bian)激(ji)勵(li)光(guang)源(yuan)，實(shi)現(xian)波(bo)長(chang)依(yi)賴(lai)度(du)的(de)測(ce)試(shi)。不(bu)同(tong)的(de)光(guang)源(yuan)類(lei)型(xing)也(ye)決(jue)定(ding)了(le)測(ce)試(shi)係(xi)統(tong)的(de)成(cheng)本(ben)。通(tong)常(chang)可(ke)以(yi)選(xuan)UV LED，包含了豐富的UV光譜

，成本低廉，但是無法實現確定的波長；激光器、單色儀，波長選擇強

，但是成本高。

氧化镓動態參數測試所表征的主要是光電響應速度、響應穩定度（光暗循環）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 , 這對於需要實時監測或高速通信的應用至關重要。響應穩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境下都能保持穩定的響應時間和靈敏度
，對於實際應用至關重要。

圖：氧化镓典型的響應速度和穩定性

對各類镓基氧化物薄膜日盲紫外探測器性能對比，響應上升時間範圍在納秒級到秒級別，跨越了9個數量級
，暗電流的範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，連接到測試係統中
，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定增益的TIA進行放大。

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