Optimisation des photodétecteurs en Ga₂O₃ polycristallin sur saphir : impact du recuit post-déposition sur les performances électriques

Résumé

Les effets du recuit post-déposition sur les propriétés physiques et électriques de photodétecteurs ultraviolets solaires-aveugles en oxyde de gallium polycristallin (Ga₂O₃) sur substrat saphir sont étudiés. La taille des grains du Ga₂O₃ polycristallin augmente avec la température de recuit post-déposition (PAT) de 800 °C à 1000 °C, mais diminue lorsque la PAT est portée à 1100 °C. Un décalage vers le bleu est observé au bord d'absorption des spectres de transmittance du Ga₂O₃ sur saphir avec l'augmentation de la PAT, dû à l'incorporation d'aluminium du substrat saphir dans le Ga₂O₃ pour former (Al_xGa_1–x)₂O₃. La diffraction des rayons X à haute résolution et les mesures de transmittance indiquent que la composition en Al substitutif et le gap de bande du (Al_xGa_1–x)₂O₃ recuit à 1100 °C peuvent dépasser 0,30 et 5,10 eV respectivement. La responsivité maximale (R_max) de l'échantillon recuit à 1000 °C augmente d'environ 500 % par rapport au dispositif non recuit, et cet échantillon présente des temps de montée et de décroissance courts de 0,148 s et 0,067 s respectivement. Ce travail ouvre la voie à la fabrication de photodétecteurs UV en Ga₂O₃ polycristallin et propose une méthode pour améliorer la responsivité et la vitesse de réponse.

Contexte

Les photodétecteurs solaires-aveugles dans l'ultraviolet profond (DUV) ont de nombreuses applications, telles que la surveillance des trous dans la couche d'ozone et la détection de flammes, avec l'avantage inhérent d'une forte capacité anti-interférence. Comparés aux matériaux semi-conducteurs traditionnels comme le silicium et le germanium, les matériaux semi-conducteurs à large gap de bande sont considérés comme idéaux pour les photodétecteurs solaires-aveugles, offrant une meilleure sélectivité pour la lumière UV et une meilleure adaptabilité dans les environnements difficiles. De nombreux chercheurs se sont concentrés sur les photodétecteurs DUV solaires-aveugles en AlGaN, MgZnO et Ga₂O₃. Le Ga₂O₃ attire une grande attention en raison de ses propriétés optiques supérieures, de sa stabilité chimique et de sa résistance mécanique élevée avec un gap de bande de 4,8 eV, en faisant un matériau prometteur pour les photodétecteurs solaires-aveugles. Des films minces de Ga₂O₃ ont été obtenus sur substrats étrangers par épitaxie par faisceau moléculaire (MBE), pulvérisation cathodique magnétron radiofréquence (RFMS), dépôt par laser pulsé (PLD), dépôt par couches atomiques (ALD), épitaxie en phase vapeur halogénure (HVPE), dépôt chimique en phase vapeur métal-organique (MOCVD) et méthode sol-gel. Parmi ces méthodes, la pulvérisation RFMS est largement utilisée pour fabriquer divers films en raison de ses avantages : contrôle aisé, haute efficacité, innocuité et faible coût. C'est pourquoi nous avons utilisé cette méthode pour déposer des films minces de Ga₂O₃ pour des photodétecteurs DUV solaires-aveugles.

Dans ce travail, des photodétecteurs solaires-aveugles en Ga₂O₃ polycristallin ont été fabriqués sur substrat saphir. Il est démontré que les atomes d'Al sont incorporés du substrat saphir dans le Ga₂O₃ pour former (Al_xGa_1–x)₂O₃ après recuit thermique post-déposition. Les propriétés structurales, la composition en Al substitutif x, les propriétés optiques et les performances des photodétecteurs de films poly-(Al_xGa_1–x)₂O₃ avec différentes températures de recuit post-déposition (PAT) ont été étudiées.

Méthode

Dans cette expérience, des films minces de Ga₂O₃ polycristallin ont été déposés sur des substrats saphir simple face orientés (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 à 20 sccm pendant le dépôt. L'épaisseur des films déposés sur saphir était d'environ 164 nm. Après le dépôt, un recuit thermique post-déposition a été effectué sous atmosphère d'air pendant 1 h à 800 °C, 900 °C, 1000 °C et 1100 °C. Après recuit, les échantillons ont été refroidis à température ambiante à une vitesse de 100 °C/min. Ensuite, 30 nm de Ti et 80 nm de Ni ont été déposés par pulvérisation magnétron comme électrodes. Après structuration et gravure des électrodes interdigitées, les contacts métalliques sur le Ga₂O₃ ont été formés par recuit thermique rapide à 470 °C sous atmosphère d'azote. Les photodétecteurs solaires-aveugles en Ga₂O₃ polycristallin ainsi fabriqués possèdent des électrodes interdigitées métal-semiconducteur-métal (MSM) comme montré en Figure 1. La longueur, la largeur et l'espacement entre les doigts étaient de 500 μm, 6 μm et 15 μm respectivement, et la longueur totale des doigts est de 1,8 cm.

Résultats et Discussion

Les propriétés structurales des films de Ga₂O₃ ont été étudiées par diffraction des rayons X à haute résolution (HRXRD). La Figure 2 présente les courbes HRXRD pour les échantillons non recuits et recuits à différentes températures. Les pics correspondant aux plans \( \left(\overline{2}01\right) \), (400), (111), \( \left(\overline{4}02\right) \), (600), (510) et \( \left(\overline{6}03\right) \) des cristaux β-Ga₂O₃ révèlent que le film de Ga₂O₃ consiste en β-Ga₂O₃ monoclinique polycristallin à orientation aléatoire. L'échantillon non recuit présente une intensité de pic plus élevée pour le plan (400) par rapport aux autres plans. Le recuit post-déposition améliore les intensités des plans \( \left(\overline{2}01\right) \), (400), \( \left(\overline{4}02\right) \) et \( \left(\overline{6}03\right) \).

Les Figures 3a et 3b se concentrent sur les pics HRXRD pour les plans \( \left(\overline{2}01\right) \) et \( \left(\overline{6}03\right) \) respectivement. La largeur à mi-hauteur (FWHM) du pic a été utilisée pour calculer la taille des grains via la formule de Debye-Scherrer afin d'évaluer la dépendance de la qualité cristalline des films de Ga₂O₃ vis-à-vis de la PAT. Le Tableau 1 montre qu'une température de recuit plus élevée produit une taille de grain plus grande lorsque la PAT augmente de 800 °C à 1000 °C, mais que la taille de grain diminue légèrement à 1100 °C. La diffusion de l'Al depuis les substrats Al₂O₃ dans les films de Ga₂O₃ à une PAT supérieure à 1000 °C a été largement observée. Comme le montre la Figure 3c, le décalage des pics HRXRD vers des angles de diffraction plus élevés est dû à la diffusion de l'Al du substrat saphir dans le film de Ga₂O₃ pour former (Al_xGa_1–x)₂O₃ après recuit.

Basé sur la loi de Bragg, l'espacement d des plans \( \left(\overline{2}01\right) \) et \( \left(\overline{6}03\right) \) du (Al_xGa_1–x)₂O₃ sont calculés et montrés en Figure 3d. Selon la référence [20], les paramètres de maille peuvent être calculés par a = (12,21 − 0,42x) Å, b = (3,04 − 0,13x) Å, c = (5,81 − 0,17x) Å, β = (103,87 + 0,31x)°. L'd du plan \( \left(\overline{6}03\right) \) s'exprime comme suit :

$$ \frac{1}{d^2}=\frac{h^2}{a^2{\sin}^2\beta }+\frac{k^2}{b^2}+\frac{l^2}{c^2{\sin}^2\beta }-\frac{2 hl\cos \beta }{ac\sin^2\beta }, $$ (1)

où h = -6, k = 0, et l = 3. Basé sur les valeurs de la Figure 3d, la valeur x du poly-(Al_xGa_1–x)₂O₃ peut être déterminée. Le gap de bande E_g du (Al_xGa_1–x)₂O₃ peut être calculé par :

$$ {E}_{\mathrm{g}}(x)=\left(1-x\right){E}_{\mathrm{g}}\left[{Ga}_2{O}_3\right]+{xE}_{\mathrm{g}}\left[{Al}_2{O}_3\right]- nx\left(1-x\right), $$ (2)

où E_g [Ga₂O₃] = 4,65 eV, E_g [Al₂O₃] = 7,24 eV, n = 1,87 eV [22]. Les valeurs calculées de x et E_g du poly-(Al_xGa_1–x)₂O₃ sont présentées dans le Tableau 2. Une valeur de x supérieure à 0,30 est atteinte dans l'échantillon après une PAT à 1100 °C.

Les images de microscopie à force atomique (AFM) en Figure 4 montrent que les valeurs de rugosité quadratique moyenne (RMS) de surface du film non recuit 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 la PAT élevée entraîne une taille de grain plus grande, confirmée par une surface plus rugueuse.

Les valeurs de E_g des films minces de (Al_xGa_1–x)₂O₃ avant et après recuit ont été caractérisées par mesure des spectres de transmittance. Comme le montre la Figure 5a, les échantillons recuits présentent un décalage vers le bleu au bord d'absorption comparé à l'échantillon non recuit. Une longueur d'onde λ plus courte est obtenue avec l'augmentation de la PAT, due à l'incorporation d'Al. Les échantillons de Ga₂O₃ ont une transmittance très faible même dans le visible, ce qui pourrait être dû à l'absorption complexe non radiative induite par les défauts dans les matériaux. Le coefficient d'absorption α des films est calculé par :

$$ \alpha =\left(1/t\right)\ln \left[{\left(1-r\right)}^2/T\right], $$ (3)

où T est la transmittance, r la réflectance, et t l'épaisseur du film. La relation entre le coefficient d'absorption α et l'énergie du photon incident hν suit une loi de puissance :

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

où B est le paramètre de largeur du bord d'absorption. En utilisant ces formules, la relation entre hν et (αhν)² est obtenue comme montré en Figure 5b. En extrapolant les régions linéaires du graphique vers l'axe horizontal, les valeurs de E_g 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, les valeurs expérimentales de E_g sont cohérentes avec celles calculées d'après les résultats HRXRD.