Optimierung polykristalliner Ga₂O₃-Photodetektoren auf Saphir: Einfluss der Nachglühung auf die elektrische Leistung

Zusammenfassung

Die Auswirkungen der Nachglühung auf die physikalischen und elektrischen Eigenschaften solarblinder polykristalliner Galliumoxid-(Ga₂O₃)-Ultraviolett-Photodetektoren auf Saphirsubstrat werden untersucht. Die Korngröße von poly-Ga₂O₃ nimmt mit steigender Nachglühtemperatur (PAT) von 800 °C auf 1000 °C zu, verringert sich jedoch bei weiterer Erhöhung auf 1100 °C. Ein Blauverschiebung wird an der Absorptionskante der Transmissionsspektren von Ga₂O₃ auf Saphir mit steigender PAT beobachtet, bedingt durch die Einlagerung von Al aus dem Saphirsubstrat in Ga₂O₃ zur Bildung von (Al_xGa_1–x)₂O₃. Hochauflösende Röntgenbeugung (HRXRD) und Transmissionsspektren zeigen, dass die substitutionelle Al-Zusammensetzung und der Bandabstand von (Al_xGa_1–x)₂O₃ nach Glühung bei 1100 °C über 0,30 bzw. 5,10 eV liegen können. Der maximale Responsivitätswert R_max des bei 1000 °C geglühten Samples steigt um ca. 500 % im Vergleich zum unglühten Bauelement, und das bei 1000 °C geglühte Sample weist kurze Anstiegs- und Abfallzeiten von 0,148 s bzw. 0,067 s auf. Diese Arbeit ebnet den Weg für die Herstellung poly-Ga₂O₃-UV-Photodetektoren und zeigt eine Methode zur Verbesserung von Responsivität und Ansprechgeschwindigkeit.

Hintergrund

Tiefen-UV (DUV) solarblinde Photodetektoren finden breite Anwendung, z. B. bei der Überwachung von Ozonlöchern und Flammenerkennung, mit dem inhärenten Vorteil starker Störfestigkeit [1]. Im Vergleich zu traditionellen Halbleitermaterialien wie Silicium und Germanium gelten Wide-Bandgap-Halbleiter als ideale Materialien für solarblinde Photodetektoren aufgrund besserer UV-Selektivität und Anpassungsfähigkeit in rauen Umgebungen [2]. Zahlreiche Forscher konzentrieren sich auf AlGaN-, MgZnO- und Ga₂O₃-DUV-Photodetektoren [2–4]. Ga₂O₃ zieht wegen seiner überlegenen optischen Eigenschaften, chemischen Stabilität, hohen Festigkeit und eines Bandabstands von 4,8 eV große Aufmerksamkeit auf sich [5–13]. Ga₂O₃-Dünnschichten wurden auf Fremdsubstraten durch Molekularstrahlepitaxie (MBE) [5, 6], Hochfrequenz-Magnetronsputtern (RFMS) [7], Pulslaserabscheidung (PLD) [8, 9], Atomlagenabscheidung (ALD) [10], Halogeniddampfphasenepitaxie (HVPE) [11], metallorganische Gasphasenepitaxie (MOCVD) [12] und Sol-Gel-Verfahren [13] hergestellt. Unter diesen Methoden wird RFMS aufgrund einfacher Kontrollierbarkeit, hoher Effizienz, Unbedenklichkeit und niedriger Kosten häufig für verschiedene Dünnschichten eingesetzt. Daher wurde RFMS für das Wachstum von Ga₂O₃-Dünnschichten für DUV-solarblinde Photodetektoren verwendet.

In dieser Arbeit wurden poly-Ga₂O₃-solarblinde Photodetektoren auf Saphirsubstrat hergestellt. Es wird gezeigt, dass Al-Atome nach thermischer Nachglühung aus dem Saphirsubstrat in Ga₂O₃ diffundieren und (Al_xGa_1–x)₂O₃ bilden. Strukturelle Eigenschaften, substitutionelle Al-Zusammensetzung x, optische Eigenschaften und Photodetektorleistung von poly-(Al_xGa_1–x)₂O₃-Schichten bei verschiedenen Nachglühtemperaturen (PATs) wurden untersucht.

Methode

Poly-Ga₂O₃-Dünnschichten wurden auf einseitig polierten (0006)-orientierten Saphirsubstraten bei 600 °C mit 120 W Sputterleistung im RFMS-Verfahren abgeschieden. Der Arbeitsdruck betrug konstant 5 mTorr, der Argonfluss 20 sccm. Die Schichtdicke auf Saphir betrug ~164 nm. Nach Abscheidung erfolgte thermische Nachglühung in Luft für 1 h bei 800 °C, 900 °C, 1000 °C und 1100 °C. Nach dem Glühen wurden die Proben mit 100 °C/min auf Raumtemperatur abgekühlt. Anschließend wurden 30 nm Ti und 80 nm Ni als Elektroden per Magnetronsputtern abgeschieden. Nach interdigitaler Elektrodenstrukturierung und Ätzung wurden die metallischen Kontakte auf Ga₂O₃ durch schnelles thermisches Glühen bei 470 °C in Stickstoffatmosphäre gebildet [14]. Die gefertigten poly-Ga₂O₃-solarblinden Photodetektoren besitzen Metall-Halbleiter-Metall (MSM)-interdigitale Elektroden (Abb. 1). Fingerlänge, -breite und -abstand betrugen 500 µm, 6 µm und 15 µm; die Gesamtlänge der Finger betrug 1,8 cm.

Ergebnisse und Diskussion

Die strukturellen Eigenschaften der Ga₂O₃-Schichten wurden durch HRXRD untersucht. Abb. 2 zeigt die HRXRD-Kurven für das unglühte Sample und die bei verschiedenen Temperaturen geglühten Proben. Peaks, die den (\( \overline{2}01 \)), (400), (111), (\( \overline{4}02 \)), (600), (510) und (\( \overline{6}03 \)) Ebenen von β-Ga₂O₃-Kristallen entsprechen [15], belegen, dass der Ga₂O₃-Film aus monoklinem β-Ga₂O₃ polykristallin mit zufälliger Orientierung besteht. Das unglühte Sample zeigt höhere Peakintensität für die (400)-Ebene. Die PAT führt zu einer Verbesserung der Intensitäten der (\( \overline{2}01 \)), (400), (\( \overline{4}02 \)) und (\( \overline{6}03 \)) Ebenen.

Abb. 3a und b fokussieren die HRXRD-Peaks für die (\( \overline{2}01 \))- und (\( \overline{6}03 \))-Ebenen. Die Halbwertsbreite (FWHM) der Peaks wurde verwendet, um die Korngröße über die Debye-Scherrer-Formel [16] zu berechnen und die Abhängigkeit der kristallinen Qualität von der PAT zu bewerten. Tabelle 1 zeigt, dass höhere Glühtemperaturen größere Korngrößen ergeben, wenn PAT von 800 °C auf 1000 °C steigt, die Korngröße jedoch bei 1100 °C leicht abnimmt. Die Diffusion von Al aus Al₂O₃-Substraten in Ga₂O₃-Schichten bei PAT > 1000 °C ist weit verbreitet beobachtet worden [17–19]. Wie in Abb. 3c gezeigt, verschieben sich die HRXRD-Peaks zu höheren Beugungswinkeln, da Al aus dem Saphirsubstrat in den Ga₂O₃-Film diffundiert und (Al_xGa_1–x)₂O₃ bildet.

Basierend auf dem Braggschen Gesetz wurden die Ebenenabstände d der (\( \overline{2}01 \))- und (\( \overline{6}03 \))-Ebenen von (Al_xGa_1–x)₂O₃ berechnet (Abb. 3d). Nach Ref. [20] können die Gitterparameter berechnet werden als a = (12,21 − 0,42x) Å, b = (3,04 − 0,13x) Å, c = (5,81 − 0,17x) Å, β = (103,87 + 0,31x)°. Der d-Wert der (\( \overline{6}03 \))-Ebene wird ausgedrückt als [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)

mit h = -6, k = 0, l = 3. Aus den Werten in Abb. 3d lässt sich das x von poly-(Al_xGa_1–x)₂O₃ bestimmen. Der Bandabstand E_g von (Al_xGa_1–x)₂O₃ berechnet sich nach:

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

mit E_g[Ga₂O₃] = 4,65 eV, E_g[Al₂O₃] = 7,24 eV, n = 1,87 eV [22]. Die berechneten x- und E_g-Werte sind in Tabelle 2 dargestellt. Ein x-Wert über 0,30 wird im Sample nach PAT bei 1100 °C erreicht.

Rasterkraftmikroskopie (AFM)-Bilder in Abb. 4 zeigen, dass die mittleren quadratischen Rauheitswerte (RMS) des unglühten Films und der bei 800 °C und 900 °C geglühten Proben 3,62 nm, 10,1 nm bzw. 14,1 nm betragen. Die durch hohe PAT verursachte Rekristallisation führt zu größerer Korngröße, was durch rauhere Oberflächen bestätigt wird.

Die Bandabstandswerte E_g der (Al_xGa_1–x)₂O₃-Dünnschichten vor und nach dem Glühen wurden durch Transmissionsspektren charakterisiert. Abb. 5a zeigt eine Blauverschiebung an der Absorptionskante der geglühten Proben im Vergleich zum unglühten. Mit steigender PAT wird ein kürzeres λ erzielt, bedingt durch Al-Einlagerung. Die Ga₂O₃-Proben zeigen selbst im sichtbaren Bereich sehr geringe Transmission, was auf nicht-strahlende komplexe Absorption durch Materialdefekte zurückzuführen sein könnte. Der Absorptionskoeffizient α der Schichten wird berechnet als [23, 24]: