Оптимизация поликристаллических Ga₂O₃ фотодетекторов на сапфире: влияние последовой отжига на электрические характеристики

Аннотация

Исследовано влияние последовой отжига на физические и электрические свойства солнечно-слепых поликристаллических ультрафиолетовых фотодетекторов из оксида галлия (Ga₂O₃) на сапфировой подложке. Размер зерен поли-Ga₂O₃ увеличивается с ростом температуры последового отжига (ПОТ) от 800 °C до 1000 °C, но уменьшается при дальнейшем повышении ПОТ до 1100 °C. Наблюдается синий сдвиг на краю поглощения спектров пропускания Ga₂O₃ на сапфире при увеличении ПОТ, обусловленный включением Al из сапфировой подложки в Ga₂O₃ с образованием (Al_xGa_1–x)₂O₃. Высокоразрешающая рентгеновская дифракция и спектры пропускания показывают, что субституционный состав Al и запрещенная зона (Al_xGa_1–x)₂O₃, отожженного при 1100 °C, могут превышать 0.30 и 5.10 эВ соответственно. Максимальная чувствительность (R_max) образца, отожженного при 1000 °C, увеличивается примерно на 500% по сравнению с неотожженным прибором, а образец, отожженный при 1000 °C, имеет короткое время нарастания и спада 0.148 с и 0.067 с соответственно. Эта работа может открыть путь к fabricación поли-Ga₂O₃ УФ-фотодетекторов и найти метод улучшения чувствительности и скорости отклика.

Введение

Глубоко-ультрафиолетовые (ГУФ) солнечно-слепые фотодетекторы имеют широкий спектр применения, например мониторинг озоновых дыр и обнаружение пламени с преимуществом сильной помехоустойчивости [1]. По сравнению с традиционными полупроводниковыми материалами, такими как кремний и германий, материалы с широкой запрещенной зоной считаются идеальными для солнечно-слепых фотодетекторов благодаря лучшей селективности к ультрафиолетовому свету и лучшей адаптивности в суровых условиях [2]. Многие исследователи фокусируются на AlGaN, MgZnO и Ga₂O₃ ГУФ солнечно-слепых фотодетекторах [2–4]. Ga₂O₃ привлекает большое внимание благодаря своим выдающимся оптическим свойствам, химической стабильности и высокой прочности с запрещенной зоной 4.8 эВ, что делает его перспективным материалом для солнечно-слепых фотодетекторов [5–13]. Тонкие пленки Ga₂O₃ получали на чужеродных подложках методом молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ) [5, 6], радиочастотным магнетронным спуттерингом (РЧМС) [7], лазерным осаждением импульсным (ЛОИ) [8, 9], атомно-слойным осаждением (АСО) [10], галогенной парофазной эпитаксией (ГПЭ) [11], металло-органической химической паровой депозицией (МОХПД) [12] и сол-гель методом [13]. Среди этих методов РЧМС широко используется для осаждения различных пленок благодаря простоте управления, высокой эффективности, безвредности и низкой стоимости. Поэтому мы использовали этот метод для выращивания тонких пленок Ga₂O₃ для ГУФ солнечно-слепых фотодетекторов.

В этой работе поликристаллические Ga₂O₃ солнечно-слепые фотодетекторы фабриковали на сапфировой подложке. Показано, что атомы Al включаются из сапфировой подложки в Ga₂O₃ с образованием (Al_xGa_1–x)₂O₃ после термической последовой отжига. Исследовали структурные свойства, субституционный состав Al x, оптические свойства и фотодетекторные характеристики поли-(Al_xGa_1–x)₂O₃ пленок при разных температурах последового отжига (ПОТ).

Метод

В эксперименте поликристаллические тонкие пленки Ga₂O₃ осаждали на одношлифованных (0006)-ориентированных сапфировых подложках методом РЧМС при 600 °C с мощностью спуттеринга 120 Вт. Рабочее давление поддерживали постоянным 5 мТорр, поток аргона — 20 ссм в течение осаждения. Толщина пленок на сапфире составляла ~164 нм. После осаждения проводили термическую последовую отжиг в воздушной атмосфере в течение 1 часа при 800 °C, 900 °C, 1000 °C и 1100 °C. После отжига образцы охлаждали до комнатной температуры со скоростью 100 °C/мин. Затем магнетронным спуттерингом осаждали 30 нм Ti и 80 нм Ni в качестве электрода. После фоторазводки и травления интердигитированных электродов металлические контакты на Ga₂O₃ формировали быстрым термическим отжигом при 470 °C в азотной атмосфере [14]. Фабрикованные поли-Ga₂O₃ солнечно-слепые фотодетекторы имеют металл-полупроводник-металл (МПМ) интердигитированные электроды, как показано на рис. 1. Длина, ширина и расстояние между пальцами составляли 500 мкм, 6 мкм и 15 мкм соответственно, общая длина пальцев — 1.8 см.

Результаты и обсуждение

Структурные свойства пленок Ga₂O₃ изучали высокоразрешающей рентгеновской дифракцией (HRXRD). На рис. 2 показаны HRXRD кривые для образцов неотожженного и отожженного при разных температурах. Пики, соответствующие плоскостям \( \left(\overline{2}01\right) \), (400), (111), \( \left(\overline{4}02\right) \), (600), (510) и \( \left(\overline{6}03\right) \) моноклинического β-Ga₂O₃ [15], показывают, что пленка Ga₂O₃ состоит из поликристаллического β-Ga₂O₃ со случайной ориентацией. Неотожженный образец демонстрирует более высокую интенсивность пика для плоскости (400) по сравнению с другими плоскостями. ПОТ приводит к улучшению интенсивностей пиков \( \left(\overline{2}01\right) \), (400), \( \left(\overline{4}02\right) \) и \( \left(\overline{6}03\right) \).

На рис. 3a и b сосредоточены на HRXRD пиках для плоскостей \( \left(\overline{2}01\right) \) и \( \left(\overline{6}03\right) \) соответственно. Половинная ширина пика на половине высоты (FWHM) использовалась для расчета размера зерна по формуле Дебая-Шеррера [16] для оценки зависимости кристаллического качества пленок Ga₂O₃ от ПОТ. Из таблицы 1 видно, что более высокие температуры отжига дают больший размер зерна при увеличении ПОТ от 800 °C до 1000 °C, но размер зерна незначительно уменьшается при ПОТ 1100 °C. Диффузия Al из Al₂O₃ подложек в пленки Ga₂O₃ при ПОТ выше 1000 °C широко наблюдалась [17–19]. Как показано на рис. 3c, сдвиг пиков HRXRD к более высоким дифракционным углам обусловлен тем, что Al из сапфировой подложки диффундирует в пленку Ga₂O₃, образуя (Al_xGa_1–x)₂O₃ после отжига.

На основании закона Брагга межплоскостное расстояние d плоскостей \( \left(\overline{2}01\right) \) и \( \left(\overline{6}03\right) \) поли-(Al_xGa_1–x)₂O₃ рассчитано и показано на рис. 3d. Согласно [20], решетчные параметры можно рассчитать как a = (12.21 − 0.42x) Å, b = (3.04 − 0.13x) Å, c = (5.81 − 0.17x) Å, β = (103.87 + 0.31x)°. d плоскости \( \left(\overline{6}03\right) \) выражается как [21]:

$$ \frac{1}{d^2}=\frac{h^2}{a^2{\sin}^2\beta }+\frac{k^2}{b^2}+\frac{l^2}{c^2{\sin}^2\beta }-\frac{2 hl\cos \beta }{ac\sin^2\beta }, $$ (1)

где h = -6, k = 0, l = 3. Исходя из значений на рис. 3d, определяется x поли-(Al_xGa_1–x)₂O₃. Запрещенная зона E_g (Al_xGa_1–x)₂O₃ рассчитывается по формуле:

$$ {E}_{\mathrm{g}}(x)=\left(1-x\right){E}_{\mathrm{g}}\left[{Ga}_2{O}_3\right]+{xE}_{\mathrm{g}}\left[{Al}_2{O}_3\right]- nx\left(1-x\right), $$ (2)

где E_g [Ga₂O₃] = 4.65 эВ, E_g [Al₂O₃] = 7.24 эВ, n = 1.87 эВ [22]. Расчетные значения x и E_g поли-(Al_xGa_1–x)₂O₃ показаны в таблице 2. Значение x выше 0.30 достигнуто в образце после ПОТ при 1100 °C.

Изображения атомно-силовой микроскопии (АСМ) на рис. 4 показывают, что значения корневого среднего квадрата (RMS) шероховатости поверхности неотожженной пленки и образцов, отожженных при 800 °C и 900 °C, составляют 3.62 нм, 10.1 нм и 14.1 нм соответственно. Рекристаллизация, вызванная высокой ПОТ, приводит к увеличению размера зерна, что дополнительно подтверждается более шершавой поверхностью.

Значения E_g поли-(Al_xGa_1–x)₂O₃ тонких пленок до и после отжига характеризовали путем измерения спектров пропускания. Как показано на рис. 5a, отожженные образцы имеют синий сдвиг на краю поглощения по сравнению с неотожженным. Более короткая длина волны λ достигается с увеличением ПОТ из-за включения Al. Образцы Ga₂O₃ имеют очень низкую пропускание даже в видимом диапазоне, что может быть связано с нерадиативным комплексным поглощением, индуцированным дефектами в материале. Коэффициент поглощения α пленок рассчитывается по формуле [23, 24]: