β-Ga2O3纳米带场效应晶体管及日盲紫外光电探测器研究进展

doi:10.16553/j.cnki.issn1000-985x.2025.0061

摘要/Abstract

摘要： β相氧化镓（β-Ga₂O₃）由于具有直接和超宽带隙（~4.9 eV）、高击穿电场（~9 MV/cm），以及优异的热稳定性和化学稳定性等优点，广泛应用于高温、高压、高频及日盲紫外光电探测器等领域。从β-Ga₂O₃单晶块体上机械剥离出β-Ga₂O₃纳米带作为沟道来探究新型β-Ga₂O₃器件结构不仅具有很大的灵活性，也将极大地降低成本。近年来，虽然β-Ga₂O₃纳米带场效应晶体管及日盲紫外光电探测器的研究已取得了很大进展，但器件的综合性能依然受限而不能满足商业化的需求，尤其是迁移率较低且响应度低。本文首先介绍了β-Ga₂O₃材料的基本性质；接着对β-Ga₂O₃纳米带场效应晶体管及日盲紫外光电探测器的研究现状进行总结与分析；最后指出β-Ga₂O₃基器件面对的困难与挑战，例如界面优化问题、器件可靠性系统研究缺乏等。

关键词: β-Ga₂O₃; 纳米带; 场效应晶体管; 日盲紫外光电探测器; 光电性能

Abstract: β-phase gallium oxide （β-Ga₂O₃） has widespread applications in various fields such as high-temperature， high-pressure， high-frequency devices， as well as solar-blind ultraviolet photodetectors due to its direct and ultrawide bandgap （~4.9 eV）， high breakdown electric field （~9 MV/cm）， and excellent thermal and chemical stability. The β-Ga₂O₃nanobelts mechanically exfoliated from β-Ga₂O₃ single crystals serve as channels for exploring new device structures， offering significant flexibility and potentially reducing costs. In recent years， substantial progress has been made in the research of β-Ga₂O₃ nanobelt field effect transistors and solar-blind ultraviolet photodetectors. However， the overall device performance remains limited and unable to meet commercialization demands， particularly in terms of low mobility and low responsivity. In this work， the basic properties of β-Ga₂O₃materials are introduced. Then， the current research status of β-Ga₂O₃ nanobelt field effect transistors and solar-blind ultraviolet photodetectors is summarized and analyzed. Finally， challenges and difficulties faced by β-Ga₂O₃-based devices are highlighted， including issues related to interface optimization and the lack of systematic studies on device reliability.

Key words: β-Ga₂O₃; nanobelt; field effect transistor; solar-blind ultraviolet photodetector; optoelectronic performance

中图分类号:

O734

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图/表 15

表1 常见宽禁带半导体材料与Si、GaAs的特性［4］

Table 1 Properties of common wide bandgap semiconductor materials with Si and GaAs［4］

特性	Si	GaAs	4H-SiC	GaN	β-Ga₂O₃
禁带宽度/eV	1.1	1.43	3.25	3.4	4.6~4.9
熔点/℃	1 420	1 238	2 830	1 700	1 740
相对介电常数	11.8	12.9	9.7	9	10
击穿场强/（MV·cm^-1）	0.3	0.4	2.5	3.3	8
电子迁移率/（cm²·V^-1·s^-1）	1 480	8 400	1 000	1 250	300
电子饱和速度/（10⁷ cm·s^-1）	1	1.2	2	2.5	1.8~2
热导率/（W·cm^-1·K^-1）	1.5	0.5	4.9	2.3	0.1~0.3
巴利加优值（eμE_c³）	1	14.7	340	870	3 444

图1 各种用于制备日盲紫外光电探测器的Ga2O3结构［9］

Fig.1 Various morphologies of Ga2O3 for preparing solar-blind ultraviolet photodetectors［9］

图2 Ga2O3五种同分异构体之间的转换关系及条件［53-54］

Fig.2 Conversion relationships and conditions between the five isomers of Ga2O3 ［53-54］

图3 Sn掺杂Ga2O3金属-半导体场效应晶体管结构及其电学特性测试结果［73］。所制备器件的横截面图（a）、光显图（b）；器件的转移特性曲线（c）与输出特性曲线（d）

Fig.3 Schematic structure and electrical characteristics test result of Sn-doped Ga2O3 metal-semiconductor field-effect transistors［73］. Schematic cross-section （a） and optical micrograph （b） of Ga2O3 MESFET； transfer characteristics （c） and output characteristics （d） of Ga2O3 MESFET

图4 背栅结构β-Ga2O3场效应晶体管制备流程及电学特性测试结果［75］。（a）β-Ga2O3纳米带场效应晶体管制备流程图；器件的转移特性曲线（b）与输出特性曲线（c）

Fig.4 Process flow and electrical characteristics test result of β-Ga2O3 field-effect transistors with back-gate structure［75］. （a） Schematic process flow for nanomembrane β-Ga2O3 field-effect transistors； transfer characteristics （b） and output characteristics （c） of β-Ga2O3 field-effect transistor

图5 双栅结构β-Ga2O3场效应晶体管结构示意图及电学特性测试结果［58］。器件结构示意图（a）、光显图（b）；（c）器件分别在背栅、顶栅，以及双栅控制下的输出特性曲线；（d）器件分别在顶栅和双栅控制下的转移特性曲线

Fig.5 Schematic structure and electrical characteristics test result of β-Ga2O3 field-effect transistors with double-gate［58］. Schematic structure （a） and optical micrograph （b） of β-Ga2O3 field-effect transistors；（c） output characteristics of β-Ga2O3 flake based FET with front， back， and both gates；（d） transfer characteristics of β-Ga2O3 flake based FET with front， back， and both gates

图6 增强型β-Ga2O3场效应晶体管结构示意图及电学特性测试结果［66］。（a）器件结构示意图；（b）β-Ga2O3纳米带表面的形貌图；耗尽型β-Ga2O3纳米带晶体管的输出特性曲线（c）、转移特性曲线（d）；增强型β-Ga2O3纳米带晶体管的输出特性曲线（e）、转移特性曲线（f）

Fig.6 Schematic structure and electrical characteristics test result of enhanced β-Ga2O3 field effect transistor［66］. （a） Schematic structure of β-Ga2O3 field effect transistor；（b） morphology of the surface of β-Ga2O3 nanobelt； output characteristics （c） and transfer characteristics （d） of depletion-type β-Ga2O3 nanobelt transistor； output characteristics （e） and transfer characteristics （f） of the enhanced β-Ga2O3 nanobelt transistor

图7 双场板β-Ga2O3场效应晶体管结构示意图及对应转移与击穿特性曲线［59］。双场板器件结构示意图（a）、光显图（b）；所制备场效应晶体管的转移曲线（c）与击穿特性（d）

Fig.7 Schematic structure and electrical characteristics test result of dual-field plated β-Ga2O3 field effect transistors［59］.Schematic structure （a） and optical micrograph （b） of dual-field plated； transfer characteristics （c） and breakdown characteristics （d） of β-Ga2O3 nano-FETs

图8 低温对二维β-Ga2O3场效应晶体管电学特性的影响［76］。（a）具有100 nm厚SiO2介质层的底栅β-Ga2O3沟道场效应晶体管器件示意图；（b）300 K下β-Ga2O3场效应晶体管器件的转移曲线；阈值电压（c）、电流开关比及亚阈值摆幅（d）随温度变化曲线

Fig.8 Effect of low temperature on the electrical characteristics of two-dimensional β-Ga2O3 field effect transistors［76］. （a） Device schematic of a bottom-gate β-Ga2O3 channel FET with 100 nm thick SiO2 gate barrier；（b） log-scale transfer characteristics of the β-Ga2O3 nanobelt FET under different low Vds values at 300 K； temperature dependence of threshold voltage （c）， Ion/Ioff ratio and subthreshold swing （d）

图9 β-Ga2O3纳米带日盲紫外光电探测器制备流程及光电测试结果［77］。（a）β-Ga2O3基日盲紫外探测器的制备流程；（b）制备的β-Ga2O3基日盲紫外探测器在不同波段、栅压为0 V的条件下的时间响应图；（c）器件在254 nm紫外光照下的上升时间和下降时间；（d）器件在不同波段下的光响应率

Fig.9 Fabrication process and photoelectric test results of β-Ga2O3 nanobelt solar-blind ultraviolet photodetectors［77］. （a） Schematic of the entire exfoliated β-Ga2O3 flake based photodetector fabrication process；（b） time-dependent photoresponse of the fabricated photodetector under various illumination conditions （254， 365， 532 and 650 nm light exposure） with a gate voltage of 0 V. （c） rise and decay time of the photodetector under 254 nm UV illumination；（d） responsivity of the device at different wavelengths

图10 石墨烯顶栅的β-Ga2O3基日盲紫外光电探测器制备流程及光电测试结果［79］。（a）石墨烯材料作为顶栅的β-Ga2O3基日盲紫外光电晶体管的制备流程图；器件在黑暗和254 nm紫外光照下的输出特性曲线（b）、转移特性曲线（c）；（d）在254 nm紫外光照下的时间响应

Fig.10 Fabrication process and photoelectric test results of β-Ga2O3-based solar-blind ultraviolet photodetector with graphene material as the top gate［79］. （a） Preparation process of β-Ga2O3-based solar-blind ultraviolet photodetector with graphene material as the top gate； output characteristics （b） and transfer characteristics （c） under darkness condition and 254 nm UV illumination；（d） time-dependent photoresponse under 254 nm UV illumination

图11 β-Ga2O3基日盲紫外光电探测器结构示意图及光电测试结果［80］。（a）制备的β-Ga2O3基日盲紫外光电晶体管的结构示意图；（b）器件在263 nm光照条件下不同光功率密度的转移曲线

Fig.11 Schematic structure and photoelectric test results of β-Ga2O3-based solar-blind ultraviolet photodetector［80］. （a） Schematic structure of β-Ga2O3 microflake solar-blind ultraviolet phototransistor；（b） transfer characteristics of β-Ga2O3 microflake solar-blind ultraviolet phototransistor at different light intensity under 263 nm illumination

图12 背栅结构增强型β-Ga2O3基日盲紫外光电晶体管示意图及其光电测试结果［81］。（a） β-Ga2O3薄膜背栅MOSFET的结构示意图；（b）MOSFET器件的转移特性曲线；（c）D1 MOS PD在黑暗条件下的输出特性曲线；（d） D1 MOS PD在黑暗和254 nm光照强度为100 μW/cm2下的输出特性曲线

Fig.12 Schematic structure and photoelectric test results of the enhanced β-Ga2O3-based solar-blind ultraviolet phototransistor with back-gate［81］. （a） Schematic of β-Ga2O3 film back-gated MOSFET；（b） transfer characteristics of all the MOSFET devices；（c） output characteristics of D1 MOS PD in the dark；（d） output characteristics of D1 MOS PD in the dark and under 254 nm light illumination of 100 μW/cm2

图13 HfO2作为栅介质β-Ga2O3基日盲紫外光电探测器结构示意图及其光电测试结果［82］。（a）制备的β-Ga2O3基日盲紫外光电晶体管结构示意图；在黑暗和254 nm光照条件下的输出特性曲线（b）、转移特性曲线（c）；（d）在254 nm光照条件下的时间响应图

Fig.13 Schematic structure and optoelectronic test results of β-Ga2O3-based solar-blind ultraviolet photodetector with HfO2 as gate dielectric［82］. （a） Schematic structure of β-Ga2O3 solar-blind ultraviolet phototransistor； output characteristics （b） and transfer characteristics （c） under the dark and 254 nm illumination；（d） time-dependent photoresponse under 254 nm illumination

图14 Ta掺杂背栅结构β-Ga2O3光电晶体管结构示意图及其神经形态应用［84］。（a）背栅结构β-Ga2O3光电晶体管的结构示意图；（b）黑暗条件及250 nm不同光功率密度照射下转移曲线；（c）突触行为示意图；（d）β-Ga2O3器件的单个光脉冲的瞬时响应；（e）光电神经网络结构图；（f）神经网络训练数据集例子（上）及200个训练周期后输出图像（下）

Fig.14 Schematic structure and neuromorphic applications of Ta-doped back-gate structured β-Ga2O3 phototransistor［84］. （a） Schematic structure of the back-gate structured β-Ga2O3 phototransistor；（b） transfer characteristics in the dark and under different illumination Pin at 250 nm；（c） schematic representation of biological symapses；（d） the transient response of Ids for singe light pulse with the time interval of 3 s；（e） the optoelectronic neural network structure；（f） real photos （top） used for training and the synaptic weights of 200 corresponding output neurons （bottom）

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β-Ga₂O₃纳米带场效应晶体管及日盲紫外光电探测器研究进展

Research Progress on β-Ga₂O₃ Nanobelt Field-Effect Transistors and Solar-Blind Ultraviolet Photodetectors

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