Optimalisatie van polykristallijne Ga₂O₃-fotodetectoren op safier: Invloed van post-annealing op elektrische prestaties

Samenvatting

De effecten van post-annealing op de fysieke en elektrische eigenschappen van zonnblinde polykristallijne galliumoxide (Ga₂O₃) ultraviolette fotodetectoren op safiersubstraat worden onderzocht. De korrelgrootte van poly-Ga₂O₃ wordt groter met toenemende post-annealingtemperatuur (PAT) van 800 °C tot 1000 °C, maar wordt kleiner bij verdere verhooging van PAT tot 1100 °C. Een blauwverschuiving wordt waargenomen aan de absorptierand van de transmissiespectra van Ga₂O₃ op safier bij toenemende PAT, door de incorporatie van Al uit het safiersubstraat in Ga₂O₃ om (Al_xGa_1–x)₂O₃ te vormen. Hoogresolutie röntgendiffractie en transmissiespectrametingen tonen aan dat de substitutieve Al-samenstelling en bandkloof van (Al_xGa_1–x)₂O₃ geanneald op 1100 °C respectievelijk boven 0,30 en 5,10 eV kunnen liggen. De R_max van het monster geanneald op 1000 °C neemt met ongeveer 500% toe ten opzichte van het as-gedeponeerde apparaat, en het monster geanneald op 1000 °C heeft een korte rijstijd en valtijd van respectievelijk 0,148 s en 0,067 s. Dit werk kan de weg banen voor de fabricage van poly-Ga₂O₃ UV-fotodetectoren en een methode bieden om responsiviteit en responstijd te verbeteren.

Achtergrond

Diep-ultraviolet (DUV) zonnblinde fotodetectoren hebben een breed toepassingsbereik zoals het monitoren van ozonaten en het detecteren van vlammen met het inherente voordeel van sterke anti-interferentiecapaciteit. Vergeleken met traditionele halfgeleidermaterialen zoals silicium en germanium, worden wijd-bandgaaphalfgeleidermaterialen beschouwd als ideale materialen voor zonnblinde fotodetectoren die een betere selectiviteit voor ultraviolet licht en betere aanpasbaarheid in harde omgevingen hebben. Veel onderzoekers hebben zich gericht op AlGaN, MgZnO en Ga₂O₃ DUV zonnblinde fotodetectoren. Ga₂O₃ trekt grote aandacht vanwege de superieure optische eigenschappen, chemische stabiliteit en hoge sterkte met een bandkloof van 4,8 eV, wat een veelbelovend materiaal is voor zonnblinde fotodetectoren. Ga₂O₃ dunne films zijn verkregen op vreemde substraten door moleculaire bundel epitaxie (MBE), radiofrequentie magnetron sputteren (RFMS), gepulste laser depositie (PLD), atoomlaag depositie (ALD), halogeen dampfase epitaxie (HVPE), metaal-organische chemische dampfase depositie (MOCVD) en sol-gel methode. Onder deze methoden is RFMS depositie breed gebruikt voor de fabricage van verschillende films vanwege de voordelen van eenvoudige controleerbaarheid, hoge efficiëntie, onschadelijkheid en lage kosten. Daarom hebben we deze methode gebruikt om Ga₂O₃ dunne films te groeien voor DUV zonnblinde fotodetectoren.

In dit werk werden poly-Ga₂O₃ zonnblinde fotodetectoren gefabriceerd op safiersubstraat. Het is aangetoond dat Al-atomen geïncorporeerd worden uit het safiersubstraat in Ga₂O₃ om (Al_xGa_1–x)₂O₃ te vormen na post-thermische annealing. De structurele eigenschappen, substitutieve Al-samenstelling x, optische eigenschappen en fotodetectorprestaties van poly-(Al_xGa_1–x)₂O₃ films met verschillende post-annealingtemperaturen (PATs) werden onderzocht.

Methode

In dit experiment werden poly-Ga₂O₃ dunne films gegroeid op enkelgepolijste (0006)-georiënteerde safiersubstraten door RFMS bij 600 °C met een sputtervermogen van 120 W. De werkdruk werd constant gehouden op 5 mTorr en de argonstroom was 20 sccm gedurende de depositie. De dikte van de films op safier was ongeveer 164 nm. Na depositie werd post-thermische annealing uitgevoerd in een luchtsfeer gedurende 1 uur bij 800 °C, 900 °C, 1000 °C en 1100 °C. Na annealing werden de monsters afgekoeld tot kamertemperatuur met een snelheid van 100 °C/min. Vervolgens werden 30 nm Ti en 80 nm Ni gedeponeerd door magnetron sputteren als elektrode. Na interdigitaal elektrodepatroneren en etsen werden de metaalcontacten op Ga₂O₃ gevormd door snelle thermische annealing bij 470 °C in een stikstofatmosfeer. De gefabriceerde poly-Ga₂O₃ zonnblinde fotodetectoren hebben metaal-halfgeleider-metaal (MSM) interdigitaal elektroden. De lengte, breedte en ruimte tussen de vingers waren respectievelijk 500 μm, 6 μm en 15 μm, en de totale lengte van de vingers is 1,8 cm.

Resultaten en Discussie

De structurele eigenschappen van de Ga₂O₃ films werden onderzocht door hoogresolutie röntgendiffractie (HRXRD). Figuur 2 presenteert de HRXRD-krommen voor de monsters die as-gedeponeerd en geanneald zijn bij verschillende temperaturen. Pieken die corresponderen met de \( \left(\overline{2}01\right) \), (400), (111), \( \left(\overline{4}02\right) \), (600), (510) en \( \left(\overline{6}03\right) \) vlakken van β-Ga₂O₃ kristallen onthullen dat de Ga₂O₃ film bestaat uit monokline β-Ga₂O₃ polykristallijn met willekeurige oriëntatie. Het as-gedeponeerde monster vertoont een hogere piekintensiteit voor het (400) vlak ten opzichte van de andere vlakken. De PAT leidt tot verbetering van de intensiteiten van de \( \left(\overline{2}01\right) \), (400), \( \left(\overline{4}02\right) \) en \( \left(\overline{6}03\right) \) vlakken.

Figuur 3a en 3b richten zich op de HRXRD-pieken voor de \( \left(\overline{2}01\right) \) en \( \left(\overline{6}03\right) \) vlakken, respectievelijk. De volle breedte op half maximum (FWHM) van de piek werd gebruikt om de korrelgrootte te berekenen door de Debye-Scherrer-formule op te lossen om de afhankelijkheid van de kristallijne kwaliteit van Ga₂O₃ films van PAT te evalueren. Uit Tabel 1 is te zien dat hogere annealingtemperatuur grotere korrelgrootte oplevert naarmate PAT stijgt van 800 °C tot 1000 °C, maar de korrelgrootte neemt licht af bij PAT van 1100 °C. De diffusie van Al uit de Al₂O₃ substraten in Ga₂O₃ films boven een PAT van 1000 °C is breed waargenomen. Zoals getoond in Fig. 3c, is de verschuiving van de HRXRD-pieken naar hogere diffractiehoeken te wijten aan de diffusie van Al uit het safiersubstraat in de Ga₂O₃ film om (Al_xGa_1–x)₂O₃ te vormen na annealing.

Op basis van de wet van Bragg worden de vlakafstand d van de \( \left(\overline{2}01\right) \) en \( \left(\overline{6}03\right) \) vlakken van (Al_xGa_1–x)₂O₃ berekend en getoond in Fig. 3d. Volgens Ref. [20] kunnen de roosterparameters worden berekend door a = (12,21 − 0,42x) Å, b = (3,04 − 0,13x) Å, c = (5,81 − 0,17x) Å, β = (103,87 + 0,31x)°. De d van \( \left(\overline{6}03\right) \) wordt uitgedrukt 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)
waarbij h = -6, k = 0 en l = 3. Op basis van de waarden in Fig. 3d kan de x van poly-(Al_xGa_1–x)₂O₃ verkregen worden. De bandkloof E_g van (Al_xGa_1–x)₂O₃ kan worden berekend door
$$ {E}_{\mathrm{g}}(x)=\left(1-x\right){E}_{\mathrm{g}}\left[{Ga}_2{O}_3\right]+{xE}_{\mathrm{g}}\left[{Al}_2{O}_3\right]- nx\left(1-x\right), $$ (2)
waarbij E_g [Ga₂O₃] = 4,65 eV, E_g [Al₂O₃] = 7,24 eV, n = 1,87 eV [22]. De berekende x en E_g waarden van de poly-(Al_xGa_1–x)₂O₃ zijn weergegeven in Tabel 2. Een x waarde boven 0,30 wordt bereikt in het monster na een PAT van 1100 °C.

Atoomkrachtmicroscopie (AFM) afbeeldingen in Fig. 4 tonen aan dat de oppervlakte wortel-kwadraat-gemiddelde (RMS) ruwheidswaarden van de as-gedeponeerde film en de monsters geanneald bij 800 °C en 900 °C respectievelijk 3,62 nm, 10,1 nm en 14,1 nm zijn. De herkristallisatie veroorzaakt door de hoge PAT resulteert in een grotere korrelgrootte, wat additioneel wordt bevestigd door een ruwer oppervlak.

De waarden van E_g van de (Al_xGa_1–x)₂O₃ dunne films voor en na annealing werden gekarakteriseerd door het meten van de transmissiespectra. Zoals getoond in Fig. 5a, hebben de geannealde monsters een blauwverschuiving aan de absorptierand ten opzichte van het as-gedeponeerde monster. Een kortere λ wordt verkregen met de toename van PAT, door de incorporatie van Al. De Ga₂O₃ monsters hebben een zeer lage transmissie zelfs in het zichtbare bereik, wat kan zijn door niet-radiatieve complexe absorptie geïnduceerd door defecten in de materialen. De absorptiecoëfficiënt α van de films wordt berekend door [23, 24]
$$ \alpha =\left(1/t\right)\ln \left[{\left(1-r\right)}^2/T\right], $$ (3)
waarbij T de transmissie is, r de reflectantie en t de filmdikte. De relatie tussen absorptiecoëfficiënt α en incident fotonenergie hν volgt een machtwet van de vorm
$$ \left(\alpha h\nu \right)=B{\left( h\nu -{E}_{\mathrm{g}}\right)}^{1/2}, $$ (4)
waarbij B de absorptierandbreedteparameter is [23]. Door deze formules te gebruiken, kan de relatie tussen hν en (αhν)² verkregen worden zoals getoond in Fig. 5b. Door de lineaire gebieden van de plot naar de horizontale as te extrapoleren, worden de E_g waarden van de monsters geëvalueerd als 4,65 eV, 4,72 eV, 4,78 eV, 4,81 eV en 5,10 eV. Zoals getoond in Tabel 2, zijn de experimentele E_g waarden van de monsters consistent met die berekend op basis van de HRXRD-resultaten.

Om de responsiviteit R en fotostroom I_photo van poly-(Al_xGa_1–x)₂O₃ fotodetectoren te onderzoeken, werden optische metingen uitgevoerd met variërende verlichtingsgolfengte λ van 220 tot 300 nm met een P_light van 0,5 mW/cm². De R wordt berekend door
$$ R=\left({I}_{\mathrm{photo}}-{I}_{\mathrm{dark}}\right)/\left({P}_{\mathrm{light}}S\right), $$ (5)
waarbij I_dark de donkerstroom is en S de effectieve verlichte oppervlakte. Figuur 6 toont een zichtbare blauwverschuiving in maximum R van de geannealde monsters ten opzichte van de as-gedeponeerde film. Dit bewijst dat een grotere E_g van polykristallijne monsters is verkregen na annealing met de diffusie van Al uit het safiersubstraat in Ga₂O₃ om (Al_xGa_1–x)₂O₃ te vormen. De R_max van het apparaat geanneald op 1100 °C is 35 μA/W, wat kleiner is dan de 0,037 A/W, 0,903 A/W en 1,13 mA/W die gegroeid werden door MBE, PLD en sol-gel methode, respectievelijk, vanwege het feit dat poly-Ga₂O₃ een lage transmissie heeft. Maar ten opzichte van het as-gedeponeerde apparaat neemt de R_max van het apparaat geanneald op 1000 °C met ongeveer 500% toe. Het is op te merken dat R van apparaten afneemt bij golfengte korter dan die bij R_max, vergelijkbaar met [27]. Dit kan te wijten zijn aan energietverlies tijdens het relaxatieproces van ladingsdragers in het geval van fotonenergie boven E_g van materialen. R_max toename met de PAT stijgende van 800 °C tot 1000 °C wordt toegeschreven aan de toegenomen korrelgrootte van de film.

Figuur 7 toont de fotostroom I_photo, donkerstroom I_dark en PDCR versus biasspanning V_bias voor de fotodetectoren onder de verlichtingsintensiteit van 0,5 mW/cm² en λ van 254 nm. Zoals getoond in Fig. 7a, neemt I_photo bijna lineair toe met V_bias. Verder, naarmate PAT stijgt van 800 °C tot 1000 °C, verkrijgen fotodetectoren een grotere I_photo. Maar de I_photo van het apparaat geanneald op 1100 °C is lager dan die van het as-gedeponeerde monster, doordat de energie van het foton kleiner is dan de bandkloof van het monster geanneald op 1100 °C, wat geen foto-ladingsdragers kan genereren. De geannealde monsters tonen een hogere I_dark dan het as-gedeponeerde monster, zoals afgebeeld in Fig. 7b. Er wordt gespeculeerd dat de herkristallisatie de geleidbaarheid van poly-Ga₂O₃ verbetert, wat resulteert in de verbetering van zowel I_photo als I_dark van de fotodetectoren, en de PDCR van het monster met een PAT van 1000 °C is hoger dan die van de andere monsters. Het kan worden opgemerkt dat de donkerstroom van het monster geanneald op 900 °C groter is dan de andere, wat toegeschreven kan worden aan de toegenomen ladingsdragers met de PAT toename, maar met de PAT verder toenemend, vindt interdiffusie van Al en Ga plaats op een safiersubstraat, wat de geleidbaarheid van de film verstoort.

De fotoresponskarakteristieken van de fotodetectoren zijn afgebeeld in Fig. 8a. Een verlichting met λ van 254 nm werd gebruikt tijdens de metingen. De P_light, V_bias en periode waren 0,5 mW/cm², 5 V en 5 s, respectievelijk. Er zijn twee processen van rijzen en vervallen: snelle respons en trage respons. Over het algemeen kan de snelle-respons component worden toegeschreven aan de snelle verandering in ladingsdragerconcentratie zodra het licht aan/uit gaat, terwijl de fotogegenereerde ladingsdragers mogelijk gevangen worden door defectniveaus in de bandkloof, wat de ladingsdragerverzameling tijdens de UV-verlichting en recombinatie bij uitschakelen van het licht kan vertragen, resulterend in de trage-respons component. Voor een kwantitatieve vergelijkende studie van de fotodetector geanneald bij verschillende temperaturen, kunnen de rijs- en valprocessen worden gefit met een bi-exponentiële relaxatievergelijking van het volgende type [29]:
$$ I={I}_0+{Ce}^{-t/{\tau}_1}+{De}^{-t/{\tau}_2}, $$ (6)
waarbij I₀ de stationaire fotostroom is, t de tijd, C en D constanten zijn, τ₁ en τ₂ twee relaxatietijdconstanten. De rijstijd τ_r1 en τ_r2 corresponderen respectievelijk met de snelle-respons en de trage-respons, en de valtijd τ_d1 en τ_d2 van elke fotodetector worden berekend, zoals getoond in Tabel 3. Het is duidelijk zichtbaar dat de responstijd afneemt na het annealingproces. De rijstijd τ_r1 wordt verlaagd van 0,215 s tot 0,148 s, en de valtijd τ_d1 wordt verlaagd van 0,133 tot 0,067 s. Dit wordt toegeschreven aan het feit dat het annealingproces de zuurstofvacantieconcentratie in de poly-Ga₂O₃ film vermindert. De directe overgang wordt de belangrijkste bron van fotogegenereerde ongebalanceerde ladingsdragers, waardoor de snelle-responstijd afneemt. De valtijd τ_d2 neemt af van 1,072 tot 0,634 s, wat aangeeft dat er minder zuurstofvacanties en andere defecten in de geannealde monsters zijn, aangezien de tijdconstante van de transeunte verval over het algemeen wordt beheerst door deze vallen. Verder kan de toegenomen korrelgrootte met PAT de fotoladingsdragertransporttijd verminderen, wat de relaxatietijdeigenschappen van de apparaten verbetert.

Tabel 4 toont de vergelijking van de I_dark, rijstijd (τ_r) en valtijd (τ_d) van zonnblinde fotodetectoren gebaseerd op β-, α- en ε-Ga₂O₃ dunne films gesynthetiseerd door RFMS en andere technieken. Zoals te zien is, is het moeilijk om een apparaat te hebben met zowel lage donkerstroom als snelle responstijd, maar de fotodetector die we gefabriceerd hebben presenteert lage donkerstroom en snelle responstijd.

Conclusies

Samenvattend, hebben we poly-Ga₂O₃ dunne film gedeponeerd door magnetron sputteren op het c-vlak safiersubstraat met post-thermische annealing onder verschillende temperaturen; vervolgens werd de ultraviolet poly-Ga₂O₃ fotodetector gefabriceerd. Ten opzichte van de as-gedeponeerde Ga₂O₃ dunne film, bezitten de geannealde monsters een grotere korrelgrootte en een wijder bandkloof door herkristallisatie en de diffusie van Al in Ga₂O₃. De R_max van het apparaat geanneald op 1000 °C neemt met ongeveer 500% toe ten opzichte van het as-gedeponeerde apparaat, en het monster geanneald op 1000 °C toont een lage donkerstroom van 0,0033 nA onder een bias van 5 V. Bovendien toont de zonnblinde fotodetector gefabriceerd op de film geanneald op 1000 °C een snelle responstijd, met een rijstijd en valtijd van respectievelijk 0,148 s en 0,067 s. Deze resultaten zijn nuttig voor de fabricage van DUV-fotodetectoren met lage donkerstroom en snelle responstijd.