home Productietechnologie Fabricage-apparatuur
Industriële fabricage
Industrieel internet der dingen | Industriële materialen | Onderhoud en reparatie van apparatuur | Industriële programmering |
home  MfgRobots >> Industriële fabricage >  >> Industrial materials >> Nanomaterialen

Effecten van nagloeien op elektrische prestaties van polykristallijne Ga2O3-fotodetector op saffier

Abstract

Effecten van nagloeien op de fysische en elektrische eigenschappen van zonneblind polykristallijn galliumoxide (Ga2 O3 ) ultraviolette fotodetectoren op het saffiersubstraat worden onderzocht. De korrelgrootte van poly-Ga2 O3 wordt groter naarmate de temperatuur na het gloeien (PAT) toeneemt van 800 °C tot 1000 °C, maar wordt kleiner naarmate de PAT verder wordt verhoogd tot 1100 °C. Er wordt een blauwverschuiving waargenomen aan de absorptierand van de transmissiespectra van Ga2 O3 op saffier als toenemende PAT, vanwege de opname van Al uit het saffiersubstraat in Ga2 O3 vormen (Alx Ga1–x )2 O3 . De meting van de röntgendiffractie- en transmissiespectra met hoge resolutie geeft aan dat de substitutie Al-samenstelling en bandafstand van (Alx Ga1–x )2 O3 gegloeid bij 1100 °C kan respectievelijk hoger zijn dan 0,30 en 5,10 eV. De R max van het monster gegloeid bij 1000 ° C neemt ongeveer 500% toe in vergelijking met het apparaat zoals gedeponeerd, en het monster dat is uitgegloeid bij 1000 ° C heeft een korte stijgtijd en vervaltijd van respectievelijk 0,148 s en 0,067 s. Dit werk kan de weg vrijmaken voor de fabricage van poly-Ga2 O3 ultraviolette fotodetector en een methode vinden om de responsiviteit en reactiesnelheid te verbeteren.

Achtergrond

Diep-ultraviolette (DUV) zonneblinde fotodetectoren hebben een breed scala aan toepassingen, zoals het bewaken van ozongaten en het detecteren van vlammen met het inherente voordeel van een sterk anti-interferentievermogen [1]. Vergeleken met traditionele halfgeleidermaterialen zoals silicium en germanium, worden halfgeleidermaterialen met een brede bandgap beschouwd als ideale materialen voor zonneblinde fotodetectoren die een betere selectiviteit hebben voor ultraviolet licht en een beter aanpassingsvermogen in ruwe omgevingen [2]. Veel onderzoekers hebben zich gericht op AlGaN, MgZnO en Ga2 O3 DUV zonwerende fotodetectoren [2,3,4]. Ga2 O3 trekt veel aandacht vanwege zijn superieure optische eigenschappen, chemische stabiliteit en hoge sterkte met een bandgap van 4,8 eV, wat een veelbelovend materiaal is voor zonneblinde fotodetectoren [5,6,7,8,9,10,11,12, 13]. Ga2 O3 dunne films zijn verkregen op vreemde substraten door middel van moleculaire bundelepitaxie (MBE) [5, 6], radiofrequente magnetron sputtering (RFMS) [7], pulsed laser deposition (PLD) [8, 9], atomaire laagdepositie (ALD ) [10], halide dampfase-epitaxie (HVPE) [11], metaal-organische chemische dampafzetting (MOCVD) [12] en sol-gelmethode [13]. Van deze methoden is RFMS-afzetting op grote schaal gebruikt om verschillende films te fabriceren vanwege de voordelen van eenvoudige beheersbaarheid, hoge efficiëntie, onschadelijkheid en lage kosten. Daarom hebben we deze methode gebruikt om Ga2 . te laten groeien O3 dunne films voor DUV-zonneblinde fotodetectoren.

In dit werk, poly-Ga2 O3 zonneblinde fotodetectoren werden gefabriceerd op het saffiersubstraat. Het is aangetoond dat de Al-atomen van het saffiersubstraat worden ingebouwd in Ga2 O3 vormen (Alx Ga1–x )2 O3 na post thermische gloeien. De structurele eigenschappen, vervangende Al-samenstelling x , optische eigenschappen en fotodetectorprestaties van poly-(Alx Ga1–x )2 O3 films met verschillende nagloeitemperaturen (PAT's) werden onderzocht.

Methode

In dit experiment, poly-Ga2 O3 dunne films werden gekweekt op enkelgepolijste (0006)-georiënteerde saffiersubstraten door RFMS bij 600 ° C met een sputtervermogen van 120 ° C. De werkdruk werd constant gehouden op 5  mTorr en de stroom van argon was 20 sccm gedurende de afzetting. De dikte van de films afgezet op saffier werd gemeten op ongeveer 164 nm. Na de depositie werd post-thermisch gloeien uitgevoerd in een luchtatmosfeer gedurende 1 h 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. De 30 nm Ti en 80 nm Ni werden vervolgens afgezet door magnetronsputteren als een elektrode. Na de patroonvorming en het etsen van de interdigitale elektroden, werden de metalen contacten op Ga2 O3 werden gevormd door de snelle thermische uitgloeiing bij 470 °C in een stikstofatmosfeer [14]. De gefabriceerde poly-Ga2 O3 zonneblinde fotodetectoren hebben interdigitale elektroden van metaal-halfgeleider-metaal (MSM), zoals weergegeven in Fig. 1. De lengte, breedte en ruimte tussen de vingers waren respectievelijk 500 m, 6 m en 15 m, en de totale lengte van de vingers zijn 1,8 cm.

Het schema van de fotodetector op basis van poly-Ga2 O3 dunne film

Resultaten en discussie

De structurele eigenschappen van de Ga2 O3 films werden onderzocht door röntgendiffractie met hoge resolutie (HRXRD). Figuur 2 geeft de HRXRD-curven weer voor de monsters die bij verschillende temperaturen zijn afgezet en uitgegloeid. Pieken die overeenkomen met \( \left(\overline{2}01\right) \), (400), (111), \( \left(\overline{4}02\right) \), (600), ( 510), en \( \left(\overline{6}03\right) \) vlakken van β-Ga2 O3 kristallen [15] onthullen dat de Ga2 O3 film bestaat uit monokliene β-Ga2 O3 polykristallijn met willekeurige oriëntatie. Het als afgezette monster vertoont een hogere piekintensiteit voor het (400) vlak in vergelijking met de andere vlakken. De PAT leidt tot verbetering van de intensiteiten van \( \left(\overline{2}01\right) \), (400), \( \left(\overline{4}02\right) \), en \ ( \left(\overline{6}03\right) \) vliegtuigen.

De XRD-pieken van de monsters zonder en met post-thermisch uitgloeien bij verschillende temperaturen

Figuur 3a en b focussen op de HRXRD-pieken voor respectievelijk \( \left(\overline{2}01\right) \) en \( \left(\overline{6}03\right) \) vlakken. De volledige breedte op half maximum (FWHM) van de piek werd gebruikt om de korrelgrootte te berekenen door de Debye-Scherrer-formule [16] op te lossen om de afhankelijkheid van de kristallijne kwaliteit van Ga2 te evalueren. O3 films op PAT. Uit Tabel 1 blijkt dat een hogere gloeitemperatuur een grotere korrelgrootte oplevert als PAT toeneemt van 800 °C tot 1000 °C, maar de korrelgrootte neemt iets af bij de PAT van 1100 °C. De diffusie van Al uit de Al2 O3 substraten in Ga2 O3 films die een PAT van meer dan 1000°C ondergingen, is algemeen waargenomen [17,18,19]. Zoals getoond in Fig. 3c, zijn de pieken van HRXRD die naar de hogere diffractiehoek verschuiven het gevolg van dat Al van het saffiersubstraat diffundeert in Ga2 O3 film om te vormen (Alx Ga1–x )2 O3 na gloeien.

De XRD-pieken van a \( \left(\overline{2}01\right) \) vlak en b \( \left(\overline{6}03\right) \) vlak van de monsters voor en na het gloeien. c piekpositie en d vlakafstand van \( \left(\overline{2}01\right) \) en \( \left(\overline{6}03\right) \) vlakken

Gebaseerd op de wet van Bragg, is de vlakafstand d van \( \left(\overline{2}01\right) \) en \( \left(\overline{6}03\right) \) vlakken van (Alx Ga1–x )2 O3 worden respectievelijk berekend en weergegeven in Fig. 3d. Volgens Ref. [20], de roosterparameters kunnen worden berekend met a =(12,21 − 0,42x ) Å, b =(3,04 − 0,13x ) Å, c =(5,81 − 0,17x ) , 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)

waar h =-6, k =0, en l =3. Gebaseerd op de waarden in Fig. 3d, de x van poly-(Alx Ga1–x )2 O3 kan worden behaald. De bandgap E g van (Alx Ga1–x )2 O3 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)

waar E g [Ga2 O3 ] =4,65 eV, E g [Al2 O3 ] =7,24 eV, n =1,87 eV [22]. De berekende x en E g waarden van de poly-(Alx Ga1–x )2 O3 worden weergegeven in Tabel 2. Een x waarde boven 0,30 wordt bereikt in het monster na een PAT bij 1100 °C.

Atomic Force Microscoop (AFM) afbeeldingen in Fig. 4 laten zien dat de oppervlakte-root-mean-square (RMS) ruwheidswaarden van de als afgezette film en de monsters gegloeid bij 800 °C en 900 °C 3,62 nm, 10,1 nm zijn, en 14,1 nm, respectievelijk. De herkristallisatie veroorzaakt door de hoge PAT resulteert in een grotere korrelgrootte, wat bovendien kan worden bevestigd door een ruwer oppervlak.

AFM-beelden van a zoals gedeponeerd poly-Ga2 O3 op saffier, b monsters gegloeid bij 800 °C, en c 900 °C

De waarden van E g van de (Alx Ga1–x )2 O3 dunne films voor en na uitgloeien werden gekarakteriseerd door het meten van de transmissiespectra. Zoals getoond in Fig. 5a, hebben de gegloeide monsters een blauwe verschuiving aan de absorptierand in vergelijking met de zoals gedeponeerde. Een kortere λ wordt verworven met de toename van PAT, als gevolg van de opname van Al. De Ga2 O3 monsters hebben een zeer lage transmissie, zelfs in het zichtbare bereik, wat te wijten kan zijn aan de niet-stralingscomplexabsorptie die wordt veroorzaakt door de 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)

een Doorlaatbaarheidsspectra van als gedeponeerd en gegloeid poly-(Alx Ga1–x )2 O3 voorbeelden b (α hν ) 2 vs. hν krommen voor poly-Ga2 O3 monsters. De extrapolatie van de lineaire gebieden naar de horizontale as schat de E g waarden

waar T is de transmissie, r is de reflectie, en t is de filmdikte. De relatie tussen absorptiecoëfficiënt α en invallende fotonenenergie hν volgt een machtswet van de vorm

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

waar B is de absorptierandbreedteparameter [23]. Door deze formules te gebruiken, wordt de relatie tussen hν en (α hν ) 2 kan worden verkregen zoals getoond in Fig. 5b. Door de lineaire gebieden van de plot te extrapoleren naar de horizontale as, wordt de E g waarden van de monsters worden geëvalueerd als 4,65 eV, 4,72 eV, 4,78 eV, 4,81 eV en 5,10 eV. Zoals weergegeven in Tabel 2, is de experimentele E g waarden van de monsters komen overeen met de waarden die zijn berekend op basis van de HRXRD-resultaten.

Om de responsiviteit te onderzoeken R en fotostroom I foto van poly-(Alx Ga1–x )2 O3 fotodetectoren, optische metingen gevarieerd verschillende verlichting λ van 220 tot 300 nm met een P licht van 0,5 mW/cm 2 . De R wordt berekend door

$$ R=\left({I}_{\mathrm{photo}}-{I}_{\mathrm{dark}}\right)/\left({P}_{\mathrm{light}}S\ rechts), $$ (5)

waar ik donker is de donkere stroom en S is het effectieve verlichte gebied. Afbeelding 6 toont een zichtbare blauwe verschuiving in maximale R van de gegloeide monsters in vergelijking met de als afgezette film. Dit bewijst dat een grotere E g van polykristallijne monsters is verkregen na gloeien met de diffusie van Al van het saffiersubstraat in Ga2 O3 vormen (Alx Ga1–x )2 O3 . De R max van het apparaat gegloeid bij 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 werden gekweekt door MBE [5], PLD [25] en sol -gelmethode [26], vanwege het feit dat de poly-Ga2 O3 heeft een lage doorlaatbaarheid, zoals weergegeven in figuur 5a. Maar vergeleken met het gedeponeerde apparaat, is de R max van het apparaat gegloeid bij 1000 ° C neemt toe met ongeveer 500%. Opgemerkt wordt dat R van apparaten neemt af bij een golflengte die korter is dan die bij R max , vergelijkbaar met die in [27]. Dit kan te wijten zijn aan het energieverlies dat optreedt tijdens het relaxatieproces van dragers in het geval van fotonenergie boven E g van materialen. R max toenemen met de PAT die stijgt van 800 °C tot 1000 °C wordt toegeschreven aan de grotere korrelgrootte van de film.

R versus verlichting optisch λ voor de poly-(Alx Ga1–x )2 O3 fotodetectoren bij V bias van 5 V

Afbeelding 7 toont de fotostroom I foto , donkere stroom I donker , en PDCR versus voorspanning V bias voor de fotodetectoren onder de verlichtingsintensiteit van 0,5 mW/cm 2 en λ van 254 nm. Zoals getoond in Fig. 7a, I foto neemt bijna lineair toe met de V bias . Bovendien, als PAT stijgt van 800 °C tot 1000 °C, krijgen fotodetectoren een grotere I foto . Maar de ik foto van het apparaat gegloeid bij 1100 °C is lager dan dat van het als afgezette monster, vanwege de energie van het foton is minder dan bangap van het monster gegloeid bij 1100 °C, dat geen fotodragers kan genereren. De gegloeide monsters vertonen een hogere I donker dan het als gedeponeerde monster, zoals weergegeven in Fig. 7b. Er wordt gespeculeerd dat de herkristallisatie de geleidbaarheid van poly-Ga2 . verbetert O3 , wat resulteert in de verbetering van zowel I foto en ik donker van de fotodetectoren, en de PDCR van het monster met een PAT van 1000 °C is hoger dan die van de andere monsters. Opgemerkt kan worden dat de donkerstroom van het monster gegloeid bij 900 ° C groter is dan andere, wat kan worden toegeschreven aan de toegenomen dragers met toenemende PAT, maar met toenemende PAT, interdiffusie van het Al en Ga plaatsvindt op een saffiersubstraat, waardoor de geleidbaarheid van de film wordt vernietigd [17].

een Ik foto -V bias , b Ik donker -V bias , en c PDCR-kenmerken van de as-deposited poly-(Alx Ga1–x )2 O3 film en de monsters gegloeid bij verschillende temperaturen onder de verlichtingsintensiteit van 0,5 mW/cm 2 en λ van 254 nm

De fotoresponskenmerken van de fotodetectoren zijn weergegeven in figuur 8a. Een verlichting met λ van 254 nm werd gebruikt tijdens de metingen. De P licht , V bias , en periode waren 0,5 mW/cm 2 , 5 V en 5 s, respectievelijk. Er zijn twee procedures voor stijgende en dalende processen:snelle respons en langzame respons. Over het algemeen kan de snelle-responscomponent worden toegeschreven aan de snelle verandering van de dragerconcentratie zodra het licht wordt aan/uit [28], terwijl de foto-gegenereerde dragers kunnen worden gevangen door de defectniveaus in de bandgap, wat zou kunnen vertraging van de dragerverzameling tijdens de UV-belichting en recombinatie terwijl het licht werd uitgeschakeld, wat resulteerde in de component met trage respons. Voor een kwantitatieve vergelijkende studie van de fotodetector die bij de verschillende temperaturen is uitgegloeid, kunnen de stijg- en vervalprocessen worden uitgerust met een bi-exponentiële relaxatievergelijking van het volgende type [29]:

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

een Tijdsafhankelijkheid van fotoresponskenmerken b stijg- en vervaltijd

waar ik 0 is de steady-state fotostroom, t is de tijd, C en D zijn de constante, τ 1 en τ 2 zijn twee relaxatietijdconstanten. De stijgtijd τ r1 en τ r2 corresponderen met respectievelijk de snelle respons en de langzame respons, en de vervaltijd τ d1 en τ d2 van elke fotodetector worden berekend, zoals weergegeven in tabel 3. Het is duidelijk te zien dat de responstijd afneemt na het uitgloeiproces. De stijgtijd τ r1 wordt teruggebracht van 0,215 s naar 0,148 s, en de vervaltijd τ d1 wordt verlaagd van 0,133 naar 0,067 s. Het wordt toegeschreven aan het feit dat het annealingproces de concentratie van zuurstofvacatures in de poly-Ga2 O3 filmpje [28]. De directe overgang wordt de belangrijkste bron van door foto's gegenereerde ongebalanceerde dragers, waardoor de snelle responstijd afneemt. De vervaltijd τ d2 neemt af van 1,072 naar 0,634 s, wat aangeeft dat er ook minder zuurstofvacatures en andere defecten in de gegloeide monsters zijn, omdat de tijdconstante van het voorbijgaande verval over het algemeen wordt bepaald door deze vallen. Verder kan de grotere korrelgrootte met PAT de transporttijd van de fotodragers verkorten, waardoor de relaxatietijd-eigenschappen van de apparaten worden verbeterd.

Tabel 4 toont de vergelijking van de I donker , stijgtijd (τ r ), en vervaltijd (τ d ) van zonneblinde fotodetectoren op basis van β-, α- en ε-Ga2 O3 dunne films gesynthetiseerd door RFMS [30] en andere technieken [2, 6, 26, 31,32,33,34]. Zoals te zien is, heeft het apparaat zowel een lage donkerstroom als een snelle responstijd is moeilijk, maar de fotodetector die we hebben gefabriceerd, biedt de lage donkerstroom en de snelle responstijd.

Conclusies

Samenvattend hebben we poly-Ga2 . gedeponeerd O3 dunne film door magnetron sputteren op het c-vlak saffiersubstraat met post thermische uitgloeiing onder verschillende temperaturen; dan, de ultraviolette poly-Ga2 O3 fotodetector is gemaakt. Vergeleken met de als gedeponeerde Ga2 O3 dunne film, de gegloeide monsters hebben een grotere korrelgrootte en een bredere bandgap vanwege de herkristallisatie en de diffusie van het Al in Ga2 O3 . De R max van het apparaat uitgegloeid bij 1000 ° C neemt ongeveer 500% toe in vergelijking met het apparaat zoals gedeponeerd, en het monster dat is uitgegloeid bij 1000 ° C vertoont een lage donkerstroom van 0,0033 ° C onder de voorspanning van 5 ° V. Bovendien vertoont de zonneblinde fotodetector gefabriceerd op de film gegloeid bij 1000 ° C vertoont een snelle responstijd, met een stijg- en vervaltijd van respectievelijk 0,148 s en 0,067 s. Deze resultaten zijn nuttig om de DUV-fotodetectoren te fabriceren met een lage donkerstroom en een snelle responstijd.

Beschikbaarheid van gegevens en materialen

De datasets die de conclusies van dit artikel ondersteunen, zijn in het artikel opgenomen.

Afkortingen

Ga2 O3 :

Galliumoxide

PAT:

Nagloeitemperatuur

DUV:

Diep ultraviolet

MBE:

Moleculaire bundelepitaxie

RFMS:

Radiofrequentie magnetron sputteren

PLD:

Gepulseerde laserdepositie

ALD:

Atoomlaagafzetting

HVPE:

Halide dampfase epitaxie

MOCVD:

Metaal-organische chemische dampafzetting

MSM:

Metaal-halfgeleider-metaal

HRXRD:

Röntgendiffractie met hoge resolutie

FWHM:

Volledige breedte op halve maximum

AFM:

Atoomkrachtmicroscoop

RMS:

Wortel-gemiddelde-kwadraat


Nanomaterialen

  • Metaal
  • Hars
  • vezel
  • Samengesteld materiaal
  • Nanomaterialen
  • Polymeer materialen
  • Biologie
  • kleurstof
  • Kruiden
    1. Effecten van ESL op condensatorprestaties
    2. Effecten van micro-omgevings-pH van liposoom op chemische stabiliteit van geladen geneesmiddel
    3. De effecten van Li/Nb-verhouding op de voorbereiding en fotokatalytische prestaties van Li-Nb-O-verbindingen
    4. Interactie-effecten bij de assemblage van magnetische nanodeeltjes
    5. Effecten van dubbellaagse dikte op de morfologische, optische en elektrische eigenschappen van Al2O3/ZnO-nanolaminaten
    6. Zichtbare, door licht aangedreven fotokatalytische prestaties van N-gedoteerde ZnO/g-C3N4-nanocomposieten
    7. Golflengte-gecontroleerde fotodetector op basis van enkele CdSSe Nanobelt
    8. Effecten van etsvariaties op Ge/Si-kanaalvorming en apparaatprestaties
    9. Effect van postthermisch gloeien op de optische eigenschappen van InP/ZnS Quantum Dot Films
    10. Met oplossing verwerkte drielaagse structuur voor hoogwaardige perovskiet-fotodetector
    11. Grondbeginselen van het scheermes:de effecten van meskwaliteit op de scheerprestaties