Effets du post-recuit sur les performances électriques du photodétecteur polycristallin Ga2O3 sur saphir

Contexte

Les photodétecteurs aveugles à ultraviolets profonds (DUV) ont une large gamme d'applications telles que la surveillance des trous d'ozone et la détection de flammes avec l'avantage inhérent d'une forte capacité anti-interférence [1]. Par rapport aux matériaux semi-conducteurs traditionnels comme le silicium et le germanium, les matériaux semi-conducteurs à large bande interdite sont considérés comme des matériaux idéaux pour les photodétecteurs aveugles au soleil qui ont une meilleure sélectivité pour la lumière ultraviolette et une meilleure adaptabilité dans les environnements difficiles [2]. De nombreux chercheurs se sont concentrés sur AlGaN, MgZnO et Ga₂ O₃ Photodétecteurs aveugles solaires DUV [2,3,4]. Ga₂ O₃ attire une grande attention en raison de ses propriétés optiques supérieures, de sa stabilité chimique et de sa résistance élevée avec une bande interdite de 4,8  eV, qui est un matériau prometteur pour les photodétecteurs aveugles au soleil [5,6,7,8,9,10,11,12, 13]. Ga₂ O₃ des couches minces ont été obtenues sur des substrats étrangers par épitaxie par faisceau moléculaire (MBE) [5, 6], pulvérisation cathodique magnétron radiofréquence (RFMS) [7], dépôt laser pulsé (PLD) [8, 9], dépôt de couche atomique (ALD ) [10], épitaxie en phase vapeur aux halogénures (HVPE) [11], dépôt chimique en phase vapeur métal-organique (MOCVD) [12] et méthode sol-gel [13]. Parmi ces méthodes, le dépôt RFMS a été largement utilisé pour fabriquer divers films en raison de ses avantages de contrôle facile, d'efficacité élevée, d'innocuité et de faible coût. Par conséquent, nous avons utilisé cette méthode pour cultiver Ga₂ O₃ films minces pour photodétecteurs aveugles solaires DUV.

Dans ce travail, le poly-Ga₂ O₃ des photodétecteurs aveugles au soleil ont été fabriqués sur le substrat de saphir. Il est démontré que les atomes d'Al sont incorporés à partir du substrat de saphir dans Ga₂ O₃ former (Al_x Ga_1–x )₂ O₃ après recuit post-thermique. Les propriétés structurelles, la composition Al substitutionnelle x , propriétés optiques et performances du photodétecteur de poly-(Al_x Ga_1–x )₂ O₃ des films avec différentes températures de post-recuit (PAT) ont été étudiés.

Méthode

Dans cette expérience, poly-Ga₂ O₃ des films minces ont été cultivés sur des substrats de saphir monopolis (0006) par RFMS à 600 ° C avec une puissance de pulvérisation de 120 W. La pression de travail a été maintenue constante à 5  mTorr et le flux d'argon était de 20  sccm tout au long du dépôt. L'épaisseur des films déposés sur le saphir a été mesurée à environ 164 nm. Après le dépôt, un recuit post-thermique a été effectué dans une atmosphère d'air pendant 1h à 800°C, 900°C, 1000°C et 1100°C. Après recuit, les échantillons ont été refroidis à température ambiante avec une vitesse de 100°C/min. Les 30 nm Ti et 80 nm Ni ont ensuite été déposés par pulvérisation magnétron en tant qu'électrode. Après la structuration et la gravure des électrodes interdigitées, les contacts métalliques sur Ga₂ O₃ ont été formés par le recuit thermique rapide à 470°C dans une atmosphère d'azote [14]. Le poly-Ga₂ fabriqué O₃ les photodétecteurs aveugles solaires ont des électrodes interdigitées métal-semiconducteur-métal (MSM) comme le montre la Fig. 1. La longueur, la largeur et l'espace entre les doigts étaient de 500 μm, 6 μm et 15 μm, respectivement, et la longueur totale de les doigts mesurent 1,8 cm.

Le schéma du photodétecteur à base de poly-Ga₂ O₃ film mince

Résultats et discussion

Les propriétés structurales du Ga₂ O₃ les films ont été étudiés par diffraction des rayons X à haute résolution (HRXRD). La figure 2 présente les courbes HRXRD pour les échantillons qui ont été déposés et recuits à différentes températures. Pics correspondant à \( \left(\overline{2}01\right) \), (400), (111), \( \left(\overline{4}02\right) \), (600), ( 510) et \( \left(\overline{6}03\right) \) plans de β-Ga₂ O₃ cristaux [15] révèlent que le Ga₂ O₃ le film se compose de monoclinique β-Ga₂ O₃ polycristallin à orientation aléatoire. L'échantillon tel que déposé présente une intensité de pic plus élevée pour le plan (400) par rapport aux autres plans. Le PAT conduit à l'amélioration des intensités de \( \left(\overline{2}01\right) \), (400), \( \left(\overline{4}02\right) \), et \ ( \left(\overline{6}03\right) \) avions.

Les pics XRD des échantillons sans et avec recuit post-thermique à différentes températures

Les figures 3a et b se concentrent sur les pics HRXRD pour les plans \( \left(\overline{2}01\right) \) et \( \left(\overline{6}03\right) \), respectivement. La pleine largeur à mi-hauteur (FWHM) du pic a été utilisée pour calculer la taille des grains en résolvant la formule Debye-Scherrer [16] pour évaluer la dépendance de la qualité cristalline de Ga₂ O₃ films sur PAT. On peut voir dans le tableau 1 qu'une température de recuit plus élevée donne une plus grande taille de grain lorsque la PAT augmente de 800 °C à 1000 °C, mais la taille des grains diminue légèrement à la PAT de 1100 °C. La diffusion d'Al depuis l'Al₂ O₃ substrats en Ga₂ O₃ films ont subi une PAT supérieure à 1000 °C a été largement observée [17,18,19]. Comme le montre la figure 3c, les pics de HRXRD se déplaçant vers l'angle de diffraction le plus élevé sont dus au fait que l'Al du substrat de saphir se diffuse dans Ga₂ O₃ film à former (Al_x Ga_1–x )₂ O₃ après recuit.

Les pics XRD de a \( \left(\overline{2}01\right) \) plan et b \( \left(\overline{6}03\right) \) plan des échantillons avant et après recuit. c position de pointe et d espacement des plans \( \left(\overline{2}01\right) \) et \( \left(\overline{6}03\right) \)

Basé sur la loi de Bragg, l'espacement des plans d des plans \( \left(\overline{2}01\right) \) et \( \left(\overline{6}03\right) \) de (Al_x Ga_1–x )₂ O₃ sont calculés et représentés sur la figure 3d, respectivement. Selon Réf. [20], les paramètres du réseau peuvent être calculés par a =(12,21 - 0,42x ) Å, b =(3,04 − 0,13x ) Å, c =(5,81 - 0,17x ) , β =(103,87 + 0,31x )°. Le d de \( \left(\overline{6}03\right) \) est exprimé par [21]

où h =-6, k =0, et l =3. Sur la base des valeurs de la Fig. 3d, le x de poly-(Al_x Ga_1–x )₂ O₃ peut être atteint. La bande interdite E _g de (Al_x Ga_1–x )₂ O₃ peut être calculé par

où E _g [Ga₂ O₃ ] =4,65  eV, E _g [Al₂ O₃ ] =7,24 eV, n =1,87 eV [22]. Le x calculé et E _g valeurs du poly-(Al_x Ga_1–x )₂ O₃ sont présentés dans le tableau 2. Un x une valeur supérieure à 0,30 est atteinte dans l'échantillon après un PAT à 1100 °C.

Les images au microscope à force atomique (AFM) de la figure 4 montrent que les valeurs de rugosité de surface (RMS) du film tel que déposé et des échantillons recuits à 800°C et 900°C sont de 3,62 nm, 10,1 nm, et 14,1  nm, respectivement. La recristallisation causée par le PAT élevé entraîne une plus grande taille de grain, ce qui peut être confirmé par une surface plus rugueuse.

Images AFM de a poly-Ga₂ tel que déposé O₃ sur saphir, b échantillons recuits à 800°C, et c 900°C

Les valeurs de E _g du (Al_x Ga_1–x )₂ O₃ les films minces avant et après recuit ont été caractérisés en mesurant les spectres de transmittance. Comme le montre la figure 5a, les échantillons recuits ont un décalage vers le bleu au bord d'absorption par rapport à celui déposé. Un λ plus court est acquis avec l'augmentation de PAT, en raison de l'incorporation d'Al. Le Ga₂ O₃ les échantillons ont une transmittance très faible même dans le domaine visible, ce qui pourrait être dû à l'absorption complexe non radiative induite par les défauts des matériaux. Le coefficient d'absorption α des films est calculé par [23, 24]

un Spectres de transmission du poly-(Al_{x tel que déposé et recuit} Ga_1–x )₂ O₃ échantillons b (α hν ) ² contre hν courbes pour poly-Ga₂ O₃ échantillons. L'extrapolation des régions linéaires à l'axe horizontal estime le E _g valeurs

où T est le facteur de transmission, r est la réflectance, et t est l'épaisseur du film. La relation entre le coefficient d'absorption α et l'énergie des photons incidents hν suit une loi de puissance de la forme

où B est le paramètre de largeur de bord d'absorption [23]. En utilisant ces formules, la relation entre hν et (α hν ) ² peut être obtenu comme le montre la figure 5b. En extrapolant les régions linéaires du tracé sur l'axe horizontal, le E _g les valeurs des échantillons sont évaluées à 4,65 eV, 4,72 eV, 4,78 eV, 4,81 eV et 5,10 eV. Comme le montre le tableau 2, le E expérimental _g les valeurs des échantillons sont cohérentes avec celles calculées sur la base des résultats HRXRD.

Pour enquêter sur la réactivité R et photocourant I _photo de poly-(Al_x Ga_1–x )₂ O₃ photodétecteurs, mesures optiques variées éclairage différent λ de 220 à 300 nm avec un P _lumière de 0.5 mW/cm ² . Le R est calculé par

où je _sombre est le courant d'obscurité et S est la zone éclairée effective. La figure 6 montre un décalage bleu visible dans le R maximum des échantillons recuits par rapport au film tel que déposé. Cela prouve qu'un plus grand E _g d'échantillons polycristallins a été obtenu après recuit avec diffusion d'Al du substrat de saphir dans Ga₂ O₃ former (Al_x Ga_1–x )₂ O₃ . Le R _max de l'appareil recuit à 1100 °C est de 35 μA/W, ce qui est inférieur aux 0,037 A/W, 0,903 A/W et 1,13 mA/W ceux qui ont été cultivés par MBE [5], PLD [25] et sol -méthode gel [26], respectivement, du fait que le poly-Ga₂ O₃ a une faible transmittance, comme le montre la figure 5a. Mais par rapport à l'appareil tel que déposé, le R _max du dispositif recuit à 1000°C augmente d'environ 500 %. Il est à noter que R des appareils diminue à une longueur d'onde plus courte que celle à R _max , similaire à celui de [27]. Cela pourrait être dû à la perte d'énergie qui se produit pendant le processus de relaxation des porteurs en cas d'énergie photonique supérieure à E _g de matériaux. R _max l'augmentation avec le PAT passant de 800 °C à 1 000 °C est attribuée à l'augmentation de la taille des grains du film.

R versus éclairage optique λ pour le poly-(Al_x Ga_1–x )₂ O₃ photodétecteurs à V _biais de 5 V

La figure 7 montre le photocourant I _photo , courant d'obscurité I _sombre , et PDCR par rapport à la tension de polarisation V _biais pour les photodétecteurs sous l'intensité d'éclairage de 0.5 mW/cm ² et λ de 254 nm. Comme le montre la figure 7a, I _photo augmente presque linéairement avec le V _biais . De plus, à mesure que le PAT augmente de 800 °C à 1 000 °C, les photodétecteurs acquièrent un plus grand I _photo . Mais le Je _photo du dispositif recuit à 1100 °C est inférieure à celle de l'échantillon tel que déposé, car l'énergie du photon est inférieure à celle de l'échantillon recuit à 1100 °C, qui ne peut pas générer de photo-porteurs. Les échantillons recuits montrent un I plus élevé _sombre que l'échantillon tel que déposé, comme le montre la figure 7b. On suppose que la recristallisation améliore la conductivité du poly-Ga₂ O₃ , entraînant l'amélioration des deux I _photo et Je _sombre des photodétecteurs, et le PDCR de l'échantillon avec un PAT de 1000°C est supérieur à ceux des autres échantillons. On peut noter que le courant d'obscurité de l'échantillon recuit à 900 °C est plus important que les autres, ce qui peut être attribué à l'augmentation des porteurs avec l'augmentation du PAT, mais avec l'augmentation du PAT, l'interdiffusion de l'Al et du Ga a lieu sur un substrat de saphir, détruisant ainsi la conductivité du film [17].

un Je _photo -V _biais , b Je _sombre -V _biais , et c Caractéristiques PDCR du poly-(Al_{x tel que déposé} Ga_1–x )₂ O₃ film et les échantillons recuits à différentes températures sous l'intensité d'éclairage de 0.5 mW/cm ² et λ de 254 nm

Les caractéristiques de photoréponse des photodétecteurs sont représentées sur la figure 8a. Une illumination avec λ de 254 nm a été utilisé lors des mesures. Le P _lumière , V _biais , et la période étaient de 0,5 mW/cm ² , 5 V et 5 s, respectivement. Il existe deux procédures de processus de montée et de décroissance :la réponse rapide et la réponse lente. Généralement, la composante de réponse rapide peut être attribuée au changement rapide de la concentration de porteurs dès que la lumière est allumée/éteinte [28], tandis que les porteurs photo-générés peuvent être piégés par les niveaux de défauts dans la bande interdite, ce qui pourrait retarder la collecte des porteurs pendant l'éclairage UV et la recombinaison lorsque la lumière a été éteinte, ce qui entraîne la composante à réponse lente. Pour une étude comparative quantitative du photodétecteur recuit aux différentes températures, les processus de montée et de décroissance peuvent être équipés d'une équation de relaxation biexponentielle du type suivant [29] :

un Dépendance temporelle des caractéristiques de la photoréponse b temps de montée et de décroissance

où je ₀ est le photocourant en régime permanent, t est le temps, C et D sont la constante, τ ₁ et τ ₂ sont deux constantes de temps de relaxation. Le temps de montée τ _r1 et τ _r2 correspondent respectivement à la réponse rapide et à la réponse lente et au temps de décroissance τ _d1 et τ _d2 de chaque photodétecteur sont calculés, comme le montre le tableau 3. On voit clairement que le temps de réponse diminue après le processus de recuit. Le temps de montée τ _r1 est réduit de 0,215 s à 0,148 s, et le temps de décroissance τ _d1 est réduit de 0,133 à 0,067 µs. Il est attribué au fait que le processus de recuit réduit la concentration en lacunes d'oxygène dans le poly-Ga₂ O₃ cinéma [28]. La transition directe devient la principale source de porteuses déséquilibrées photo-générées, ce qui diminue le temps de réponse rapide. Le temps de décroissance τ _d2 diminue de 1,072 à 0,634 s, indiquant qu'il y a moins de lacunes d'oxygène et d'autres défauts dans les échantillons recuits, en raison de la constante de temps de la décroissance transitoire qui est généralement régie par ces pièges. De plus, l'augmentation de la taille des grains avec le PAT peut réduire le temps de transport des photoporteurs, améliorant ainsi les propriétés de temps de relaxation des appareils.

Le tableau 4 montre la comparaison des I _sombre , temps de montée (τ _r ) et le temps de décroissance (τ _d ) de photodétecteurs aveugles solaires basés sur β-, α- et ε-Ga₂ O₃ films minces synthétisés par RFMS [30] et d'autres techniques [2, 6, 26, 31,32,33,34]. Comme on le voit, l'appareil a à la fois un faible courant d'obscurité et un temps de réponse rapide est difficile, mais le photodétecteur que nous avons fabriqué présente un faible courant d'obscurité et un temps de réponse rapide.

Conclusions

En résumé, nous avons déposé du poly-Ga₂ O₃ couche mince par pulvérisation cathodique magnétron sur le substrat de saphir plan c avec recuit post-thermique sous différentes températures ; puis, l'ultraviolet poly-Ga₂ O₃ photodétecteur a été fabriqué. Par rapport au Ga₂ tel que déposé O₃ couche mince, les échantillons recuits possèdent une granulométrie plus importante et une bande interdite plus large en raison de la recristallisation et de la diffusion de l'Al dans Ga₂ O₃ . Le R _max du dispositif recuit à 1000 °C augmente d'environ 500% par rapport au dispositif tel que déposé, et l'échantillon recuit à 1000 °C montre un faible courant d'obscurité de 0,0033 nA sous la polarisation de 5 V. fabriqué sur le film recuit à 1000 °C montre un temps de réponse rapide, avec un temps de montée et de décroissance de 0,148 s et 0,067 s, respectivement. Ces résultats sont utiles pour fabriquer les photodétecteurs DUV avec un faible courant d'obscurité et un temps de réponse rapide.

Disponibilité des données et des matériaux

Les ensembles de données soutenant les conclusions de cet article sont inclus dans l'article.

Abréviations

Ga₂ O₃ :

Oxyde de gallium

PAT :

Température de post-recuit

DUV :

Ultraviolet profond

MBE :

Epitaxie par faisceau moléculaire

RFMS :

Pulvérisation magnétron radiofréquence

PLD :

Dépôt laser pulsé

ALD :

Dépôt de couche atomique

HVPE :

Epitaxie en phase vapeur aux halogénures

MOCVD :

Dépôt chimique en phase vapeur métal-organique

MSM :

Métal-semi-conducteur-métal

HRXRD :

Diffraction des rayons X haute résolution

FWHM :

Pleine largeur à mi-hauteur

AFM :

Microscope à force atomique

RMS :

Moyenne quadratique