Влияние пост-отжига на электрические характеристики поликристаллического фотодетектора Ga2O3 на сапфире

Фон

Фотодетекторы глубокого ультрафиолета (DUV), заслоняющие солнечные лучи, имеют широкий спектр применений, таких как мониторинг озоновых дыр и обнаружение пламени с неотъемлемым преимуществом сильной помехоустойчивой способности [1]. По сравнению с традиционными полупроводниковыми материалами, такими как кремний и германий, полупроводниковые материалы с широкой запрещенной зоной считаются идеальными материалами для солнцезащитных фотоприемников, которые имеют лучшую селективность по ультрафиолетовому свету и лучшую адаптируемость в суровых условиях [2]. Многие исследователи были сосредоточены на AlGaN, MgZnO и Ga ₂ О ₃ Солнечные фотоприемники DUV [2,3,4]. Ga ₂ О ₃ привлекает большое внимание благодаря своим превосходным оптическим свойствам, химической стабильности и высокой прочности с шириной запрещенной зоны 4,8 эВ, который является многообещающим материалом для солнечных слепых фотоприемников [5,6,7,8,9,10,11,12, 13]. Ga ₂ О ₃ тонкие пленки были получены на инородных подложках методами молекулярно-лучевой эпитаксии (MBE) [5, 6], радиочастотного магнетронного распыления (RFMS) [7], импульсного лазерного осаждения (PLD) [8, 9], осаждения атомных слоев (ALD). ) [10], парофазная эпитаксия галогенидов (HVPE) [11], химическое осаждение из паровой фазы металлоорганических соединений (MOCVD) [12] и золь-гель метод [13]. Среди этих методов осаждение RFMS широко используется для изготовления различных пленок из-за его преимуществ, заключающихся в простоте управления, высокой эффективности, безвредности и низкой стоимости. Поэтому мы использовали этот метод для выращивания Ga ₂ О ₃ тонкие пленки для солнцезащитных фотоприемников DUV.

В этой работе poly-Ga ₂ О ₃ Слепые фотоприемники изготавливались на сапфировой подложке. Показано, что атомы Al встраиваются из сапфировой подложки в Ga ₂ . О ₃ сформировать (Al _x Ga _{1– x} ) ₂ О ₃ после посттермического отжига. Структурные свойства, замещающий состав Al x , оптические свойства и характеристики фотоприемника поли- (Al _x Ga _{1– x} ) ₂ О ₃ были исследованы пленки с различными температурами постотжига (PAT).

Метод

В этом эксперименте поли-Ga ₂ О ₃ тонкие пленки выращивали на однополированных (0006) -ориентированных сапфировых подложках с помощью RFMS при 600 ° C с мощностью распыления 120 Вт. Рабочее давление поддерживали постоянным на уровне 5 мТорр, а поток аргона составлял 20 см3 на протяжении всего осаждения. Толщина пленок, нанесенных на сапфир, составила около 164 нм. После осаждения проводился посттермический отжиг в атмосфере воздуха в течение 1 ч при 800 ° C, 900 ° C, 1000 ° C и 1100 ° C. После отжига образцы охлаждали до комнатной температуры со скоростью 100 ° C / мин. Затем 30 нм Ti и 80 нм Ni были нанесены магнетронным распылением в качестве электрода. После формирования рисунка и травления встречно-штыревых электродов металлические контакты на Ga ₂ О ₃ были сформированы быстрым термическим отжигом при 470 ° C в атмосфере азота [14]. Изготовленный поли-Ga ₂ О ₃ Фотодетекторы для слепых солнечных лучей имеют встречно-штыревые электроды металл-полупроводник-металл (МСМ), как показано на рис. 1. Длина, ширина и расстояние между пальцами составляли 500 мкм, 6 мкм и 15 мкм соответственно, а общая длина пальцы 1,8 см.

Схема фотоприемника на основе поли-Ga ₂ О ₃ тонкая пленка

Результаты и обсуждение

Структурные свойства Ga ₂ О ₃ Пленки исследовались методом рентгеновской дифракции высокого разрешения (HRXRD). На рис. 2 представлены кривые HRXRD для образцов после осаждения и отжига при различных температурах. Пики, соответствующие \ (\ left (\ overline {2} 01 \ right) \), (400), (111), \ (\ left (\ overline {4} 02 \ right) \), (600), ( 510) и \ (\ left (\ overline {6} 03 \ right) \) плоскости β-Ga ₂ О ₃ кристаллы [15] показывают, что Ga ₂ О ₃ пленка состоит из моноклинного β-Ga ₂ О ₃ поликристаллический со случайной ориентацией. Образец после осаждения демонстрирует более высокую интенсивность пика для плоскости (400) по сравнению с другими плоскостями. PAT приводит к улучшению интенсивности \ (\ left (\ overline {2} 01 \ right) \), (400), \ (\ left (\ overline {4} 02 \ right) \) и \ (\ left (\ overline {6} 03 \ right) \) самолеты.

Пики XRD образцов без термического отжига и с последующим термическим отжигом при различных температурах

На рисунках 3a и b показаны пики HRXRD для плоскостей \ (\ left (\ overline {2} 01 \ right) \) и \ (\ left (\ overline {6} 03 \ right) \) соответственно. Полная ширина на полувысоте (FWHM) пика использовалась для расчета размера зерна путем решения формулы Дебая-Шеррера [16] для оценки зависимости кристаллического качества Ga ₂ О ₃ фильмы на ПАТ. Из таблицы 1 видно, что более высокая температура отжига дает больший размер зерна при увеличении PAT с 800 ° C до 1000 ° C, но размер зерна немного уменьшается при PAT 1100 ° C. Диффузия Al из Al ₂ О ₃ субстраты в Ga ₂ О ₃ пленки, прошедшие ПАТ выше 1000 ° C, широко наблюдались [17,18,19]. Как показано на рис. 3c, смещение пиков HRXRD в сторону более высокого угла дифракции связано с тем, что Al из сапфировой подложки диффундирует в Ga ₂ О ₃ пленка для формирования (Al _x Ga _{1– x} ) ₂ О ₃ после отжига.

Пики XRD a \ (\ left (\ overline {2} 01 \ right) \) плоскость и b \ (\ left (\ overline {6} 03 \ right) \) плоскость образцов до и после отжига. c положение пика и d расстояние между плоскостями \ (\ left (\ overline {2} 01 \ right) \) и \ (\ left (\ overline {6} 03 \ right) \)

Согласно закону Брэгга, расстояние между плоскостями d плоскости \ (\ left (\ overline {2} 01 \ right) \) и \ (\ left (\ overline {6} 03 \ right) \) плоскости (Al _x Ga _{1– x} ) ₂ О ₃ рассчитаны и показаны на рис. 3г соответственно. Согласно исх. [20], параметры решетки можно рассчитать с помощью a =(12,21–0,42 x ) Å, b =(3,04–0,13 x ) Å, c =(5,81–0,17 x ) Å, β =(103,87 + 0,31 x ) °. d из \ (\ left (\ overline {6} 03 \ right) \) выражается как [21]

где h =-6, k =0 и l =3. На основании значений на рис. 3d, x поли- (Al _x Ga _{1– x} ) ₂ О ₃ может быть достигнут. Ширина запрещенной зоны E _g из (Al _x Ga _{1– x} ) ₂ О ₃ можно рассчитать по

где E _g [Ga ₂ О ₃ ] =4,65 эВ, E _g [Al ₂ О ₃ ] =7,24 эВ, n =1,87 эВ [22]. Расчетный x и E _g значения поли- (Al _x Ga _{1– x} ) ₂ О ₃ показаны в Таблице 2. Знак x значение выше 0,30 достигается в образце после PAT при 1100 ° C.

Изображения, полученные с помощью атомно-силового микроскопа (АСМ) на рис. 4, показывают, что значения среднеквадратичной шероховатости поверхности осажденной пленки и образцов, отожженных при 800 ° C и 900 ° C, составляют 3,62 нм, 10,1 нм, и 14,1 нм соответственно. Рекристаллизация, вызванная высоким значением PAT, приводит к большему размеру зерна, что дополнительно подтверждается более шероховатой поверхностью.

Изображения a , полученные с помощью АСМ как осажденный поли-Ga ₂ О ₃ на сапфире, b образцы отожжены при 800 ° C, и c 900 ° С

Значения E _g из (Al _x Ga _{1– x} ) ₂ О ₃ Тонкие пленки до и после отжига характеризовались измерением спектров пропускания. Как показано на рис. 5а, отожженные образцы имеют синий сдвиг на краю поглощения по сравнению с осажденным. Более короткий λ приобретается с увеличением PAT из-за включения Al. Га ₂ О ₃ образцы имеют очень низкий коэффициент пропускания даже в видимом диапазоне, что может быть связано с безызлучательным комплексным поглощением, вызванным дефектами в материалах. Коэффициент поглощения α пленок рассчитывается по [23, 24]

а Спектры пропускания осажденного и отожженного поли- (Al _x Ga _{1– x} ) ₂ О ₃ образцы b ( α h ν ) ² по сравнению с h ν кривые для поли-Ga ₂ О ₃ образцы. Экстраполяция линейных областей на горизонтальную ось дает оценку E _g значения

где T коэффициент пропускания, r - коэффициент отражения, а t толщина пленки. Связь между коэффициентом поглощения α и энергия падающего фотона h ν следует степенному закону формы

где B - параметр ширины края поглощения [23]. Используя эти формулы, соотношение между h ν и ( α h ν ) ² можно получить, как показано на рис. 5б. Экстраполируя линейные области графика на горизонтальную ось, E _g Значения образцов оцениваются как 4,65 эВ, 4,72 эВ, 4,78 эВ, 4,81 эВ и 5,10 эВ. Как показано в таблице 2, экспериментальный E _g значения образцов согласуются с рассчитанными на основе результатов HRXRD.

Чтобы исследовать отзывчивость R и фототок I _фото поли- (Al _x Ga _{1– x} ) ₂ О ₃ фотоприемники, оптические измерения разная освещенность λ от 220 до 300 нм с P _свет 0,5 мВт / см ² . R рассчитывается по

где I _темный - темновой ток и S эффективная освещенная площадь. На рисунке 6 показан видимый синий сдвиг максимального значения R . отожженных образцов по сравнению с осажденной пленкой. Это доказывает, что чем больше E _g поликристаллических образцов был получен после отжига с диффузией Al из сапфировой подложки в Ga ₂ О ₃ сформировать (Al _x Ga _{1– x} ) ₂ О ₃ . R _макс отожженного при 1100 ° C устройства составляет 35 мкА / Вт, что меньше, чем 0,037 А / Вт, 0,903 А / Вт и 1,13 мА / Вт, полученные методами МЛЭ [5], PLD [25] и золя -gel метод [26], соответственно, в связи с тем, что поли-Ga ₂ О ₃ имеет низкий коэффициент пропускания, как показано на рис. 5а. Но по сравнению с устройством на хранении, R _макс отожженного при 1000 ° C устройства увеличивается примерно на 500%. Следует отметить, что R устройств уменьшается на длине волны короче, чем на R _макс , аналогично [27]. Это может быть связано с потерей энергии в процессе релаксации носителей в случае энергии фотонов выше E _g материалов. R _макс возрастание с увеличением PAT с 800 ° C до 1000 ° C объясняется увеличением размера зерна пленки.

R по сравнению с оптическим освещением λ для поли- (Al _x Ga _{1– x} ) ₂ О ₃ фотоприемники на V _{предвзятость} от 5 В

На рисунке 7 показан фототок I _фото , темновой ток I _темный , и PDCR в зависимости от напряжения смещения В _{предвзятость} для фотоприемников при интенсивности освещения 0,5 мВт / см ² и λ 254 нм. Как показано на рис. 7a, I _фото увеличивается почти линейно с V _{предвзятость} . Кроме того, когда температура PAT повышается с 800 ° C до 1000 ° C, фотоприемники получают большее значение I . _фото . Но я _фото устройства, отожженного при 1100 ° C, ниже, чем у образца после осаждения, из-за того, что энергия фотона меньше, чем у образца, отожженного при 1100 ° C, который не может генерировать фотоносители. Отожженные образцы показывают более высокий I _темный чем образец после осаждения, как показано на рис. 7b. Предполагается, что рекристаллизация увеличивает проводимость поли-Ga ₂ О ₃ , что привело к улучшению как I _фото и я _темный фотоприемников, а PDCR образца с PAT 1000 ° C выше, чем у других образцов. Можно отметить, что темновой ток образца, отожженного при 900 ° C, больше, чем у других, что может быть приписано увеличению носителей при увеличении PAT, но при дальнейшем увеличении PAT происходит взаимная диффузия Al и Ga. сапфировая подложка, тем самым нарушая проводимость пленки [17].

а Я _фото - V _{предвзятость} , b Я _темный - V _{предвзятость} , и c Характеристики PDCR наплавленного поли- (Al _x Ga _{1– x} ) ₂ О ₃ пленка и образцы, отожженные при разных температурах при интенсивности освещения 0,5 мВт / см ² и λ 254 нм

Характеристики фотоотклика фотоприемников показаны на рис. 8а. Освещение с λ 254 нм. P _свет , V _{предвзятость} , а период составлял 0,5 мВт / см ² , 5 В и 5 с соответственно. Есть две процедуры процессов нарастания и затухания:быстрое и медленное. Как правило, компонент с быстрым откликом может быть отнесен к быстрому изменению концентрации носителей, как только включается / выключается свет [28], в то время как фотогенерируемые носители могут быть захвачены уровнями дефектов в запрещенной зоне, что может задерживают сбор носителей во время УФ-освещения и рекомбинации при выключении света, что приводит к компоненту медленного отклика. Для количественного сравнительного исследования фотоприемника, отожженного при различных температурах, процессы нарастания и затухания можно описать уравнением биэкспоненциальной релаксации следующего типа [29]:

а Зависимость характеристик фотоотклика от времени b время нарастания и спада

где I ₀ - установившийся фототок, t время, C и D - константа, τ ₁ и τ ₂ - две постоянные времени релаксации. Время нарастания τ _r1 и τ _r2 соответствуют быстрому и медленному отклику соответственно, а время затухания τ _d1 и τ _d2 каждого фотодетектора рассчитываются, как показано в Таблице 3. Хорошо видно, что время отклика уменьшается после процесса отжига. Время нарастания τ _r1 уменьшается с 0,215 с до 0,148 с, а время затухания τ _d1 уменьшено с 0,133 до 0,067 с. Это объясняется тем, что процесс отжига снижает концентрацию кислородных вакансий в поли-Ga ₂ О ₃ фильм [28]. Прямой переход становится основным источником фото-генерируемых несбалансированных несущих, поэтому время быстрого отклика уменьшается. Время затухания τ _d2 уменьшается с 1,072 до 0,634 с, что указывает на меньшее количество кислородных вакансий и других дефектов в отожженных образцах, поскольку постоянная времени переходного распада обычно определяется этими ловушками. Кроме того, увеличенный размер зерна с помощью PAT может сократить время транспортировки фотоносителей, улучшая характеристики времени релаксации устройств.

В таблице 4 показано сравнение I _темный , время нарастания ( τ _r ) и время затухания ( τ _d ) солнцезащитных фотоприемников на основе β-, α- и ε-Ga ₂ О ₃ тонкие пленки, синтезированные RFMS [30] и другими методами [2, 6, 26, 31,32,33,34]. Как видно, устройство имеет низкий темновой ток и быстрое время отклика, что затруднительно, но изготовленный нами фотодетектор обеспечивает низкий темновой ток и быстрое время отклика.

Выводы

Таким образом, мы депонировали поли-Ga ₂ О ₃ тонкая пленка магнетронным напылением на сапфировую подложку c-плоскости с последующим термическим отжигом при различной температуре; затем ультрафиолетовый поли-Ga ₂ О ₃ фотоприемник изготовлен. По сравнению с осажденным Ga ₂ О ₃ тонкая пленка, отожженные образцы имеют больший размер зерна и более широкую запрещенную зону из-за рекристаллизации и диффузии Al в Ga ₂ О ₃ . R _макс Отожженного при 1000 ° C устройства увеличивается примерно на 500% по сравнению с устройством после осаждения, а образец, отожженный при 1000 ° C, показывает низкий темновой ток 0,0033 нА при смещении 5 В. Кроме того, фотодетектор с защитой от солнечных лучей изготовленная на пленке, отожженной при 1000 ° C, показывает быстрое время отклика с временем нарастания и затухания 0,148 с и 0,067 с, соответственно. Эти результаты полезны для изготовления фотоприемников DUV с низким темновым током и малым временем отклика.

Доступность данных и материалов

Наборы данных, подтверждающие выводы этой статьи, включены в статью.

Сокращения

Ga ₂ О ₃ :

Оксид галлия

PAT:

Температура после отжига

DUV:

Глубокий ультрафиолет

MBE:

Молекулярно-лучевая эпитаксия

RFMS:

Радиочастотное магнетронное распыление

PLD:

Импульсное лазерное напыление

ALD:

Осаждение атомного слоя

HVPE:

Эпитаксия из паровой фазы галогенидов

MOCVD:

Металлоорганическое химическое осаждение из паровой фазы

MSM:

Металл-полупроводник-металл

HRXRD:

Дифракция рентгеновских лучей высокого разрешения

FWHM:

Полная ширина на половине максимальной

AFM:

Атомно-силовой микроскоп

RMS:

Среднеквадратичное