Auswirkungen des Nachglühens auf die elektrische Leistung eines polykristallinen Ga2O3-Photodetektors auf Saphir

Hintergrund

Sonnenblenden-Photodetektoren für tiefes Ultraviolett (DUV) haben ein breites Anwendungsspektrum, wie die Überwachung von Ozonlöchern und die Erkennung von Flammen mit dem inhärenten Vorteil einer starken Entstörungsfähigkeit [1]. Im Vergleich zu herkömmlichen Halbleitermaterialien wie Silizium und Germanium gelten Halbleitermaterialien mit großer Bandlücke als ideale Materialien für sonnenblinde Photodetektoren, die eine bessere Selektivität für ultraviolettes Licht und eine bessere Anpassungsfähigkeit in rauen Umgebungen aufweisen [2]. Viele Forscher haben sich auf AlGaN, MgZnO und Ga₂ . konzentriert O₃ DUV-Sonnenblenden-Photodetektoren [2,3,4]. Ga₂ O₃ erregt aufgrund seiner hervorragenden optischen Eigenschaften, chemischer Stabilität und hoher Festigkeit mit einer Bandlücke von 4,8 eV große Aufmerksamkeit, was ein vielversprechendes Material für sonnenblinde Photodetektoren ist [5,6,7,8,9,10,11,12, 13]. Ga₂ O₃ Dünnschichten wurden auf Fremdsubstraten durch Molekularstrahlepitaxie (MBE) [5, 6], Hochfrequenz-Magnetronsputtern (RFMS) [7], gepulste Laserabscheidung (PLD) [8, 9], Atomlagenabscheidung (ALD) ) [10], Halogenid-Dampfphasenepitaxie (HVPE) [11], metallorganische chemische Gasphasenabscheidung (MOCVD) [12] und Sol-Gel-Methode [13]. Unter diesen Verfahren wurde die RFMS-Abscheidung aufgrund ihrer Vorteile der leichten Steuerbarkeit, der hohen Effizienz, der Unbedenklichkeit und der geringen Kosten weit verbreitet verwendet, um verschiedene Filme herzustellen. Daher haben wir diese Methode verwendet, um Ga₂ . zu züchten O₃ Dünnschichten für DUV-Sonnenblenden-Photodetektoren.

In dieser Arbeit wird Poly-Ga₂ O₃ Auf dem Saphirsubstrat wurden sonnenblinde Photodetektoren hergestellt. Es wird gezeigt, dass die Al-Atome vom Saphirsubstrat in Ga₂ . eingebaut werden O₃ bilden (Al_x Ga_1–x )₂ O₃ nach dem thermischen Nachglühen. Die strukturellen Eigenschaften, Substitutions-Al-Zusammensetzung x , optische Eigenschaften und Fotodetektorleistung von poly-(Al_x Ga_1–x )₂ O₃ Filme mit unterschiedlichen Temperaturen nach dem Tempern (PATs) wurden untersucht.

Methode

In diesem Experiment wurde Poly-Ga₂ O₃ dünne Filme wurden auf einfach polierten (0006)-orientierten Saphirsubstraten durch RFMS bei 600 °C mit einer Sputterleistung von 120 W aufgewachsen. Der Arbeitsdruck wurde konstant bei 5 mTorr gehalten und der Argonfluss betrug während der gesamten Abscheidung 20 sccm. Die Dicke der auf Saphir abgeschiedenen Filme wurde mit etwa 164 nm gemessen. Nach der Abscheidung wurde ein thermisches Nachglühen in einer Luftatmosphäre für 1 h bei 800 °C, 900 °C, 1000 °C und 1100 °C durchgeführt. Nach dem Tempern wurden die Proben mit einer Geschwindigkeit von 100 °C/min auf Raumtemperatur abgekühlt. 30 nm Ti und 80 nm Ni wurden dann durch Magnetron-Sputtern als Elektrode abgeschieden. Nach dem Strukturieren und Ätzen der Interdigitalelektrode werden die metallischen Kontakte auf Ga₂ O₃ wurden durch schnelles thermisches Glühen bei 470 °C in einer Stickstoffatmosphäre gebildet [14]. Das hergestellte Poly-Ga₂ O₃ Sonnenblind-Photodetektoren haben Metall-Halbleiter-Metall-(MSM)-Interdigitalelektroden, wie in Abb. 1 gezeigt. Die Länge, Breite und der Abstand zwischen den Fingern betrugen 500 µm, 6 µm bzw. 15 µm, und die Gesamtlänge von die Finger sind 1,8 cm groß.

Das Schema des Photodetektors basierend auf Poly-Ga₂ O₃ dünner Film

Ergebnisse und Diskussion

Die strukturellen Eigenschaften von Ga₂ O₃ Filme wurden durch hochauflösende Röntgenbeugung (HRXRD) untersucht. Abbildung 2 zeigt die HRXRD-Kurven für die Proben, die wie abgeschieden und bei verschiedenen Temperaturen getempert wurden. Peaks entsprechend \( \left(\overline{2}01\right)\), (400), (111), \( \left(\overline{4}02\right) \), (600), ( 510) und \( \left(\overline{6}03\right) \) Ebenen von β-Ga₂ O₃ Kristalle [15] zeigen, dass das Ga₂ O₃ Film besteht aus monoklinem β-Ga₂ O₃ polykristallin mit zufälliger Orientierung. Die abgeschiedene Probe weist eine höhere Spitzenintensität für die (400)-Ebene im Vergleich zu den anderen Ebenen auf. Die PAT führt zur Verbesserung der Intensitäten von \( \left(\overline{2}01\right) \), (400), \( \left(\overline{4}02\right) \), und \ ( \left(\overline{6}03\right) \) Ebenen.

Die XRD-Peaks der Proben ohne und mit postthermischem Annealing bei unterschiedlichen Temperaturen

Abbildung 3a und b konzentrieren sich auf die HRXRD-Peaks für \( \left(\overline{2}01\right) \) bzw. \( \left(\overline{6}03\right) \) Ebenen. Die Halbwertsbreite (FWHM) des Peaks wurde verwendet, um die Korngröße zu berechnen, indem die Debye-Scherrer-Formel [16] gelöst wurde, um die Abhängigkeit der kristallinen Qualität von Ga₂ . zu bewerten O₃ Filme auf PAT. Aus Tabelle 1 ist ersichtlich, dass eine höhere Glühtemperatur eine größere Korngröße ergibt, wenn die PAT von 800 °C auf 1000 °C ansteigt, die Korngröße jedoch bei einer PAT von 1100 °C leicht abnimmt. Die Diffusion von Al aus dem Al₂ O₃ Substrate in Ga₂ O₃ Filme, die einer PAT über 1000 °C unterzogen wurden, wurden weithin beobachtet [17,18,19]. Wie in 3c gezeigt, sind die Peaks der HRXRD-Verschiebung zu dem höheren Beugungswinkel darauf zurückzuführen, dass Al vom Saphirsubstrat in Ga₂ . diffundiert O₃ Film zu formen (Al_x Ga_1–x )₂ O₃ nach dem Glühen.

Die XRD-Peaks von a \( \left(\overline{2}01\right) \) Ebene und b \( \left(\overline{6}03\right) \) Ebene der Proben vor und nach dem Tempern. c Spitzenposition und d Ebenenabstand von \( \left(\overline{2}01\right) \) und \( \left(\overline{6}03\right) \) Ebenen

Basierend auf dem Braggschen Gesetz ist der Ebenenabstand d von \( \left(\overline{2}01\right) \) und \( \left(\overline{6}03\right) \) Ebenen von (Al_x Ga_1–x )₂ O₃ berechnet und in Fig. 3d dargestellt. Nach Ref.-Nr. [20] können die Gitterparameter berechnet werden durch a =(12,21 − 0,42x ) , b =(3,04 − 0,13x ) , c =(5,81 − 0,17x ) , β =(103,87 + 0,31x )°. Die d von \(\left(\overline{6}03\right)\) wird ausgedrückt als [21]

wo h =-6, k =0, und l =3. Basierend auf den Werten in Abb. 3d ist das x von Poly-(Al_x Ga_1–x )₂ O₃ Kann erreicht werden. Die Bandlücke E _g von (Al_x Ga_1–x )₂ O₃ kann berechnet werden durch

wo E _g [Ga₂ O₃ ] =4,65 eV, E _g [Al₂ O₃ ] =7,24 eV, n =1,87 eV [22]. Das berechnete x und E _g Werte des Poly-(Al_x Ga_1–x )₂ O₃ sind in Tabelle 2 aufgeführt. Ein x ein Wert über 0,30 wird in der Probe nach einer PAT bei 1100°C erreicht.

Rasterkraftmikroskop-(AFM)-Bilder in Abb. 4 zeigen, dass die Rauhigkeitswerte des Oberflächen-Effektivwerts (RMS) des abgeschiedenen Films und der Proben, die bei 800 °C und 900 °C getempert wurden, 3,62 nm, 10,1 nm betragen. bzw. 14,1  nm. Die durch den hohen PAT verursachte Rekristallisation führt zu einer größeren Korngröße, was zusätzlich durch eine rauere Oberfläche bestätigt werden kann.

AFM-Bilder von a wie abgeschiedenes Poly-Ga₂ O₃ auf Saphir, b Proben, die bei 800°C getempert wurden, und c 900 °C

Die Werte von E _g der (Al_x Ga_1–x )₂ O₃ dünne Filme vor und nach dem Tempern wurden durch Messung der Transmissionsspektren charakterisiert. Wie in Fig. 5a gezeigt, weisen die getemperten Proben eine Blauverschiebung an der Absorptionskante im Vergleich zur abgeschiedenen auf. Ein kürzeres λ wird mit der Erhöhung von PAT durch den Einbau von Al erworben. Der Ga₂ O₃ Proben haben sogar im sichtbaren Bereich eine sehr geringe Transmission, was auf die strahlungslose Komplexabsorption durch die Defekte in den Materialien zurückzuführen sein könnte. Der Absorptionskoeffizient α der Filme berechnet sich aus [23, 24]

a Transmissionsspektren von abgeschiedenem und getempertem Poly-(Al_x Ga_1–x )₂ O₃ Proben b (α hν ) ² vs. hν Kurven für Poly-Ga₂ O₃ Proben. Die Extrapolation der linearen Regionen auf die horizontale Achse schätzt das E _g Werte

wo T ist die Transmission, r ist das Reflexionsvermögen und t ist die Filmdicke. Die Beziehung zwischen dem Absorptionskoeffizienten α und einfallende Photonenenergie hν folgt einem Potenzgesetz der Form

$$ \left(\alpha h\nu \right)=B{\left( h\nu -{E}_{\mathrm{g}}\right)}^{1/2}, $$ (4)

wo B ist der Parameter für die Breite der Absorptionskante [23]. Durch die Verwendung dieser Formeln wird die Beziehung zwischen hν und (α hν ) ² kann wie in Abb. 5b gezeigt erhalten werden. Durch Extrapolieren der linearen Bereiche des Diagramms auf die horizontale Achse ergibt sich das E _g Werte der Proben werden als 4,65 eV, 4,72 eV, 4,78 eV, 4,81 eV und 5,10 eV bewertet. Wie in Tabelle 2 gezeigt, ist das experimentelle E _g Werte der Proben stimmen mit denen überein, die auf der Grundlage der HRXRD-Ergebnisse berechnet wurden.

Um die Reaktionsfähigkeit zu untersuchen R und Photostrom I _Foto von Poly-(Al_x Ga_1–x )₂ O₃ Photodetektoren, optische Messungen variierte unterschiedliche Beleuchtung λ von 220 bis 300 nm mit einem P _Licht von 0,5 mW/cm ² . Die R wird berechnet durch

$$ R=\left({I}_{\mathrm{Foto}}-{I}_{\mathrm{dunkel}}\right)/\left({P}_{\mathrm{hell}}S\ rechts), $$ (5)

wo ich _dunkel ist der dunkle Strom und S ist die effektiv beleuchtete Fläche. Abbildung 6 zeigt eine sichtbare Blauverschiebung im maximalen R der getemperten Proben im Vergleich zum abgeschiedenen Film. Dies beweist, dass ein größeres E _g polykristalliner Proben wurden nach dem Tempern mit der Diffusion von Al aus dem Saphirsubstrat in Ga₂ . erhalten O₃ bilden (Al_x Ga_1–x )₂ O₃ . Die R _max des bei 1100 °C getemperten Geräts beträgt 35 µA/W, was kleiner ist als die 0,037 A/W, 0,903 A/W und 1,13 µmA/W, die mit MBE [5], PLD [25] und Sol . gezüchtet wurden -Gel-Methode [26], da das Poly-Ga₂ O₃ hat einen geringen Transmissionsgrad, wie in Fig. 5a gezeigt. Aber im Vergleich zum hinterlegten Gerät ist das R _max der bei 1000°C getemperten Vorrichtung um etwa 500% erhöht. Es wird darauf hingewiesen, dass R der Geräte nimmt bei Wellenlängen ab, die kürzer sind als bei R _max , ähnlich wie in [27]. Dies könnte auf den Energieverlust zurückzuführen sein, der während des Relaxationsprozesses von Ladungsträgern im Fall einer Photonenenergie über E . auftritt _g von Materialien. R _max mit steigender PAT von 800°C auf 1000°C ansteigt, wird der erhöhten Korngröße des Films zugeschrieben.

R gegen optische Beleuchtung λ für das Poly-(Al_x Ga_1–x )₂ O₃ Fotodetektoren bei V _{Voreingenommenheit} von 5 V

Abbildung 7 zeigt den Photostrom I _Foto , Dunkelstrom I _dunkel , und PDCR gegenüber der Vorspannung V _{Voreingenommenheit} für die Fotodetektoren bei einer Beleuchtungsstärke von 0,5 mW/cm ² und λ von 254 nm. Wie in Abb. 7a gezeigt, I _Foto steigt fast linear mit dem V _{Voreingenommenheit} . Wenn die PAT von 800°C auf 1000°C ansteigt, gewinnen Photodetektoren außerdem ein größeres I _Foto . Aber das Ich _Foto der bei 1100 °C getemperten Vorrichtung ist niedriger als die der abgeschiedenen Probe, da die Energie des Photons geringer ist als die Bangap der bei 1100 °C getemperten Probe, die keine Fototräger erzeugen kann. Die getemperten Proben zeigen ein höheres I _dunkel als die Probe im abgeschiedenen Zustand, wie in Fig. 7b dargestellt. Es wird spekuliert, dass die Rekristallisation die Leitfähigkeit von Poly-Ga₂ . erhöht O₃ , was zur Verbesserung von sowohl I _Foto und ich _dunkel der Photodetektoren, und die PDCR der Probe mit einer PAT von 1000 °C ist höher als die der anderen Proben. Es kann festgestellt werden, dass der Dunkelstrom der bei 900°C getemperten Probe größer ist als bei anderen, was auf die erhöhten Ladungsträger mit zunehmender PAT zurückgeführt werden kann, aber mit weiter zunehmender PAT findet eine Interdiffusion von Al und Ga auf . statt ein Saphirsubstrat, wodurch die Leitfähigkeit des Films zerstört wird [17].

a Ich _Foto -V _{Voreingenommenheit} , b Ich _dunkel -V _{Voreingenommenheit} , und c PDCR-Eigenschaften des abgeschiedenen Poly-(Al_x Ga_1–x )₂ O₃ Film und die Proben getempert bei verschiedenen Temperaturen unter einer Beleuchtungsintensität von 0,5 mW/cm ² und λ von 254 nm

Die Photoreaktionscharakteristiken der Photodetektoren sind in Fig. 8a dargestellt. Eine Beleuchtung mit λ von 254 nm wurde während der Messungen verwendet. Das P _Licht , V _{Voreingenommenheit} , und der Zeitraum waren 0,5 mW/cm ² , 5 V bzw. 5 s. Es gibt zwei Verfahren von steigenden und fallenden Prozessen:schnelle Reaktion und langsame Reaktion. Im Allgemeinen kann die schnell ansprechende Komponente auf die schnelle Änderung der Ladungsträgerkonzentration zurückgeführt werden, sobald das Licht ein-/ausgeschaltet wird [28], während die photogenerierten Ladungsträger durch die Defektniveaus in der Bandlücke eingefangen werden könnten, was verzögern die Ladungsträgersammlung während der UV-Beleuchtung und Rekombination, wenn das Licht ausgeschaltet wurde, was zu der langsam reagierenden Komponente führt. Für eine quantitative Vergleichsstudie des bei den verschiedenen Temperaturen getemperten Photodetektors können die Anstiegs- und Abklingprozesse mit einer biexponentiellen Relaxationsgleichung des folgenden Typs angepasst werden [29]:

$$ I={I}_0+{Ce}^{-t/{\tau}_1}+{De}^{-t/{\tau}_2}, $$ (6)

a Zeitabhängigkeit der Lichtempfindlichkeitseigenschaften b Anstiegs- und Abfallzeit

wo ich ₀ ist der stationäre Photostrom, t ist die Zeit, C und D sind die Konstanten, τ ₁ und τ ₂ sind zwei Relaxationszeitkonstanten. Die Anstiegszeit τ _r1 und τ _r2 entsprechen der schnellen bzw. der langsamen Reaktion und der Abklingzeit τ _d1 und τ _d2 jedes Photodetektors berechnet, wie in Tabelle 3 gezeigt. Es ist klar zu sehen, dass die Ansprechzeit nach dem Temperprozess abnimmt. Die Anstiegszeit τ _r1 wird von 0,215 s auf 0,148 s reduziert und die Abklingzeit τ _d1 von 0,133 auf 0,067 s reduziert. Dies wird der Tatsache zugeschrieben, dass der Glühprozess die Sauerstoffleerstellenkonzentration im Poly-Ga₂ . verringert O₃ Film [28]. Der direkte Übergang wird die Hauptquelle für photogenerierte unausgeglichene Ladungsträger, wodurch die schnelle Reaktionszeit verringert wird. Die Abklingzeit τ _d2 von 1,072 auf 0,634 s abnimmt, was darauf hindeutet, dass es auch weniger Sauerstoffleerstellen und andere Defekte in den getemperten Proben gibt, da die Zeitkonstante des vorübergehenden Zerfalls im Allgemeinen von diesen Fallen bestimmt wird. Darüber hinaus kann die erhöhte Korngröße mit PAT die Transportzeit der Fototräger verkürzen und die Relaxationszeiteigenschaften der Geräte verbessern.

Tabelle 4 zeigt den Vergleich der I _dunkel , Anstiegszeit (τ _r ) und Abklingzeit (τ _d ) von sonnenblinden Photodetektoren basierend auf β-, α- und ε-Ga₂ O₃ Dünnschichten synthetisiert durch RFMS [30] und andere Techniken [2, 6, 26, 31,32,33,34]. Wie zu sehen ist, hat das Gerät sowohl einen niedrigen Dunkelstrom als auch eine schnelle Reaktionszeit, was schwierig ist, aber der von uns hergestellte Photodetektor bietet einen geringen Dunkelstrom und eine schnelle Reaktionszeit.

Schlussfolgerungen

Zusammenfassend haben wir Poly-Ga₂ . abgeschieden O₃ Dünnfilm durch Magnetron-Sputtern auf dem Saphir-Substrat der c-Ebene mit anschließendem thermischen Tempern bei unterschiedlichen Temperaturen; dann das ultraviolette Poly-Ga₂ O₃ Fotodetektor hergestellt wurde. Im Vergleich zum abgeschiedenen Ga₂ O₃ Dünnfilm besitzen die getemperten Proben eine größere Korngröße und eine größere Bandlücke aufgrund der Rekristallisation und der Diffusion des Al in Ga₂ O₃ . Die R _max des bei 1000°C getemperten Bauteils um etwa 500% im Vergleich zum abgeschiedenen Bauteil erhöht, und die bei 1000 °C getemperte Probe zeigt einen niedrigen Dunkelstrom von 0,0033 nA bei einer Vorspannung von 5 V der auf dem bei 1000 °C getemperten Film hergestellt wurde, zeigt eine schnelle Reaktionszeit mit einer Anstiegs- und Abfallzeit von 0,148 µs bzw. 0,067 µs. Diese Ergebnisse sind nützlich, um die DUV-Photodetektoren mit niedrigem Dunkelstrom und schneller Reaktionszeit herzustellen.

Verfügbarkeit von Daten und Materialien

Die Datensätze, die die Schlussfolgerungen dieses Artikels unterstützen, sind im Artikel enthalten.

Abkürzungen

Ga₂ O₃ :

Galliumoxid

PAT:

Temperatur nach dem Glühen

DUV:

Tiefes Ultraviolett

MBE:

Molekularstrahlepitaxie

RFMS:

Hochfrequenz-Magnetron-Sputtern

PLD:

Gepulste Laserabscheidung

ALD:

Atomlagenabscheidung

HVPE:

Halogeniddampfphasenepitaxie

MOCVD:

Metallorganische chemische Gasphasenabscheidung

MSM:

Metall-Halbleiter-Metall

HRXRD:

Hochauflösende Röntgenbeugung

FWHM:

Volle Breite auf halbem Maximum

AFM:

Rasterkraftmikroskop

RMS:

Root-Mean-Square