后退火对蓝宝石上多晶 Ga2O3 光电探测器电性能的影响

背景

深紫外(DUV)日盲光电探测器以其抗干扰能力强的先天优势,在监测臭氧空洞、探测火焰等方面有着广泛的应用[1]。与硅、锗等传统半导体材料相比，宽带隙半导体材料被认为是日盲光电探测器的理想材料，对紫外光具有更好的选择性和在恶劣环境中的适应性[2]。许多研究人员一直专注于 AlGaN、MgZnO 和 Ga2O3 DUV 日盲光电探测器 [2,3,4]。 Ga2O3 因其优异的光学性能、化学稳定性和高强度而备受关注，带隙为 4.8 eV，是一种很有前途的日盲光电探测器材料 [5,6,7,8,9,10,11,12 ,13]。 Ga2O3 薄膜已通过分子束外延 (MBE) [5, 6]、射频磁控溅射 (RFMS) [7]、脉冲激光沉积 (PLD) [8, 9]、原子层沉积 ( ALD) [10]、卤化物气相外延 (HVPE) [11]、金属有机化学气相沉积 (MOCVD) [12] 和溶胶-凝胶法 [13]。在这些方法中，RFMS沉积以其易控制、高效、无害、成本低等优点被广泛用于制备各种薄膜。因此，我们采用该方法生长了用于深紫外日盲光电探测器的Ga2O3薄膜。

在这项工作中，poly-Ga2O3 日盲光电探测器是在蓝宝石衬底上制造的。结果表明，Al 原子从蓝宝石衬底结合到 Ga2O3 中形成 (Alx Ga1–x )2O3 后热退火。结构特性，置换Al成分x poly-(Alx) 的光学性质和光电探测器性能 Ga1–x 研究了不同后退火温度(PATs)的)2O3薄膜。

方法

本实验中，采用 RFMS 在 600 °C、120 W 的溅射功率下，在单次抛光的 (0006) 取向蓝宝石衬底上生长 poly-Ga2O3 薄膜，工作压力保持在 5 mTorr，氩气流量不变。在整个沉积过程中为 20 sccm。测量沉积在蓝宝石上的薄膜厚度约为 164 nm。沉积后，在空气气氛中在800 ℃、900 ℃、1000 ℃和1100 ℃下进行后热退火1 小时。退火后，将样品以 100 °C/min 的速度冷却至室温。然后通过磁控溅射沉积 30 nm Ti 和 80 nm Ni 作为电极。在叉指电极图案化和蚀刻之后，在 470 °C 的氮气氛中通过快速热退火在 Ga2O3 上形成金属触点 [14]。制造的聚Ga2O3日盲光电探测器具有金属-半导体-金属（MSM）叉指电极，如图1所示。手指之间的长度、宽度和间距分别为500 μm、6 μm和15 μm，手指总长1.8 cm。

基于poly-Ga2O3薄膜的光电探测器原理图

结果与讨论

通过高分辨率 X 射线衍射 (HRXRD) 研究了 Ga2O3 薄膜的结构特性。图 2 显示了在不同温度下沉积和退火的样品的 HRXRD 曲线。对应于 \( \left(\overline{2}01\right) \), (400), (111), \( \left(\overline{4}02\right) \), (600), ( 510) 和 \( \left(\overline{6}03\right) \) β-Ga2O3 晶体 [15] 平面表明 Ga2O3 薄膜由随机取向的单斜 β-Ga2O3 多晶组成。与其他平面相比，沉积态样品在 (400) 平面上表现出更高的峰值强度。 PAT导致\( \left(\overline{2}01\right) \), (400), \( \left(\overline{4}02\right) \)和\ ( \left(\overline{6}03\right) \) 平面。

不同温度下未热处理和热处理后样品的XRD谱图

图 3a 和 b 分别关注 \( \left(\overline{2}01\right) \) 和 \( \left(\overline{6}03\right) \) 平面的 HRXRD 峰。峰的半峰全宽 (FWHM) 用于通过求解 Debye-Scherrer 公式 [16] 来计算晶粒尺寸，以评估 Ga2O3 薄膜的结晶质量对 PAT 的依赖性。从表 1 可以看出，随着 PAT 从 800 °C 增加到 1000 °C，较高的退火温度产生更大的晶粒尺寸，但在 PAT 为 1100 °C 时晶粒尺寸略有减小。 Al 从 Al2O3 衬底扩散到 Ga2O3 薄膜中经历了超过 1000 °C 的 PAT 已被广泛观察到 [17,18,19]。如图 3c 所示，HRXRD 的峰向更高的衍射角移动是由于来自蓝宝石衬底的 Al 扩散到 Ga2O3 薄膜中形成 (Alx Ga1–x )2O3 退火后。

a的XRD峰 \( \left(\overline{2}01\right) \) 平面和 b \( \left(\overline{6}03\right) \) 样品退火前后的平面。 c 峰值位置和 d \( \left(\overline{2}01\right) \) 和 \( \left(\overline{6}03\right) \) 平面的平面间距

根据布拉格定律，平面间距 d \( \left(\overline{2}01\right) \) 和 \( \left(\overline{6}03\right) \) (Alx 的平面 Ga1–x )2O3 分别计算并显示在图 3d 中。根据参考文献。 [20]，晶格参数可以通过a计算 =(12.21 − 0.42x ) Å, b =(3.04 − 0.13x ) Å, c =(5.81 − 0.17x ) Å, β =(103.87 + 0.31x )°。 d \( \left(\overline{6}03\right) \) 表示为 [21]

其中 h =-6, k =0 和 l =3. 基于图 3d 中的值，x 聚-(Alx Ga1–x )2O3 可以实现。带隙 E g (Alx Ga1–x )2O3 可计算为

其中 E g [Ga2O3] =4.65 eV, E g [Al2O3] =7.24 eV，n =1.87 eV [22]。计算出的 x 和 E poly-(Alx Ga1–x )2O3 如表 2 所示。x 在 1100 °C 下进行 PAT 后，样品中达到 0.30 以上的值。

图 4 中的原子力显微镜 (AFM) 图像显示，在 800 °C 和 900 °C 下退火的沉积膜和样品的表面均方根 (RMS) 粗糙度值为 3.62 nm、10.1 nm，和 14.1 nm，分别。高PAT引起的再结晶导致更大的晶粒尺寸，这可以通过更粗糙的表面进一步证实。

a 的 AFM 图像 蓝宝石上沉积的 poly-Ga2O3，b 样品在 800 °C 下退火，c 900 ℃

E 的值 (Alx Ga1–x 通过测量透射光谱来表征退火前后的)2O3 薄膜。如图 5a 所示，与沉积的样品相比，退火样品在吸收边缘有蓝移。较短的 λ 由于掺入了铝，随着 PAT 的增加而获得。 Ga2O3 样品即使在可见光范围内也具有非常低的透射率，这可能是由于材料中的缺陷引起的非辐射复合吸收。吸收系数α [23, 24]

一 沉积态和退火态的聚 (Alx) 的透射光谱 Ga1–x )2O3 样品 b (α hν ) ² 对比 hν poly-Ga2O3 样品的曲线。线性区域到水平轴的外推估计 E g值

其中 T 是透射率，r 是反射率，t 是薄膜厚度。吸收系数α的关系 和入射光子能量 hν 遵循形式的幂律

其中 B 是吸收边宽度参数 [23]。通过使用这些公式，hν 之间的关系 和 (α hν ) ² 可以得到如图 5b 所示。通过将绘图的线性区域外推到水平轴，E 样品的 g 值被评估为 4.65 eV、4.72 eV、4.78 eV、4.81 eV 和 5.10 eV。如表 2 所示，实验 E 样品的g值与基于HRXRD结果计算的一致。

调查响应度 R 和光电流 I poly-(Alx Ga1–x )2O3 光电探测器，光学测量在不同照度λ 从 220 到 300 nm，P 0.5 mW/cm ² . R 由

其中我 dark 是暗电流，S 是有效照明面积。图 6 显示了最大 R 的可见蓝移 退火样品与沉积膜相比。这证明了更大的 E 退火后得到 g 多晶样品，Al 从蓝宝石衬底扩散到 Ga2O3 中形成 (Alx Ga1–x )2O3。 R 在 1100 °C 下退火的器件的最大值为 35 μA/W，小于通过 MBE [5]、PLD [25] 和溶胶-凝胶法 [26]，分别是由于聚 Ga2O3 具有低透射率，如图 5a 所示。但与沉积设备相比，R 在 1000 °C 下退火的器件的最大值增加了约 500%。值得注意的是，R 波长比 R 短的器件减少 max，类似于[27]中的那个。这可能是由于在光子能量高于 E 的情况下，载流子弛豫过程中会发生能量损失 g 材料。 R 随着 PAT 从 800 °C 上升到 1000 °C，max 增加是由于薄膜晶粒尺寸的增加。

R 与照明光学 λ 对于 poly-(Alx Ga1–x )2O3 光电探测器 V 偏压5 V

图 7 显示了光电流 I 照片，暗电流 I 暗，以及 PDCR 与偏置电压 V 0.5 mW/cm ² 光照强度下光电探测器的偏置 和 λ 254 nm。如图 7a 所示，I 照片几乎随 V 线性增加 偏见。此外，随着 PAT 从 800 °C 升高到 1000 °C，光电探测器获得更大的 I 照片。但是我 在 1100 °C 退火的器件的照片低于沉积样品的照片，这是由于光子的能量小于在 1100 °C 退火的样品的 bangap，不能产生光载流子。退火样品显示出更高的I 如图 7b 所示，比沉积的样品更暗。据推测，再结晶增强了 poly-Ga2O3 的导电性，导致 I 照片和我 光电探测器的暗，PAT为1000 °C的样品的PDCR高于其他样品。可以看出，900 °C退火样品的暗电流比其他样品的暗电流大，这可能归因于载流子随着PAT的增加而增加，但随着PAT的进一步增加，Al和Ga的相互扩散发生在蓝宝石衬底，从而破坏了薄膜的导电性[17]。

一 我 照片-V 偏见，b 我 暗-V 偏差和c 沉积态poly-(Alx)的PDCR特性 Ga1–x )2O3薄膜和样品在0.5 mW/cm ² 光照强度下不同温度退火 和 λ 254 nm

光电探测器的光响应特性如图 8a 所示。 λ 的照明 在测量过程中使用 254 nm 的波长。 P 光，V 偏差和周期为 0.5 mW/cm ² , 5 V, 和 5 s, 分别。上升和下降过程有两个过程：快响应和慢响应。通常，快速响应分量可归因于光打开/关闭时载流子浓度的快速变化 [28]，而光生载流子可能被带隙中的缺陷能级捕获，这可能在紫外线照射和重组过程中延迟载流子收集，因为光线关闭，导致响应缓慢。为了对不同温度下退火的光电探测器进行定量比较研究，上升和衰减过程可以用以下类型的双指数弛豫方程拟合[29]：

一 光响应特性的时间依赖性 b 上升和下降时间

其中我 0 是稳态光电流，t 是时间，C 和 D 是常数，τ 1 和 τ 2 是两个弛豫时间常数。上升时间τ r1 和 τ r2 分别对应于快响应和慢响应，衰减时间 τ d1 和 τ 计算每个光电探测器的 d2，如表 3 所示。可以清楚地看到，退火过程后响应时间减少。上升时间τ r1 从 0.215 s 减少到 0.148 s，衰减时间 τ d1 从 0.133 减少到 0.067 s。这归因于退火过程降低了聚 Ga2O3 膜中氧空位浓度的事实 [28]。直接跃迁成为光生不平衡载流子的主要来源，从而降低了快速响应时间。衰减时间τ d2 从 1.072 减少到 0.634 s，表明退火样品中的氧空位和其他缺陷也较少，因为瞬态衰减的时间常数通常受这些陷阱控制。此外，PAT增加的晶粒尺寸可以减少光载流子传输时间，改善器件的弛豫时间特性。

表 4 显示了 I 的比较 暗，上升时间 (τ r) 和衰减时间 (τ d) 基于通过 RFMS [30] 和其他技术 [2, 6, 26, 31,32,33,34] 合成的 β-、α- 和 ε-Ga2O3 薄膜的日盲光电探测器。可以看出，该器件同时具有低暗电流和快速响应时间是困难的，但我们制作的光电探测器呈现出低暗电流和快速响应时间。

结论

综上所述，我们通过磁控溅射在不同温度下进行后热退火的c面蓝宝石衬底上沉积了poly-Ga2O3薄膜；然后，制作了紫外聚Ga2O3光电探测器。与沉积的 Ga2O3 薄膜相比，由于再结晶和 Al 扩散到 Ga2O3 中，退火样品具有更大的晶粒尺寸和更宽的带隙。 R 与沉积态器件相比，在 1000 °C 下退火的器件的最大值增加了约 500%，并且在 1000 °C 下退火的样品在 5 V 的偏压下显示出 0.0033 nA 的低暗电流。此外，日盲在 1000 °C 下退火的薄膜上制造的光电探测器显示出快速响应时间，上升和衰减时间分别为 0.148 s 和 0.067 s。这些结果有助于制备低暗电流、快速响应的深紫外光电探测器。

数据和材料的可用性

本文包含支持本文结论的数据集。

缩写

Ga2O3：

氧化镓

PAT：

后退火温度

DUV：

深紫外线

MBE：

分子束外延

RFMS：

射频磁控溅射

PLD：

脉冲激光沉积

ALD：

原子层沉积

HVPE：

卤化物气相外延

MOCVD：

金属有机化学气相沉积

MSM：

金属-半导体-金属

HRXRD：

高分辨率X射线衍射

FWHM：

半高全宽

原子力显微镜：

原子力显微镜

RMS：

均方根