Efeitos do pós-recozimento no desempenho elétrico do fotodetector de Ga2O3 policristalino em safira

Resumo

Efeitos do pós-recozimento nas propriedades físicas e elétricas do óxido de gálio policristalino cego à luz solar (Ga ₂ O ₃ ) fotodetectores ultravioleta no substrato de safira são investigados. O tamanho do grão de poly-Ga ₂ O ₃ torna-se maior com a temperatura pós-recozimento (PAT) aumentando de 800 ° C para 1000 ° C, mas fica menor com o aumento adicional de PAT para 1100 ° C. Um deslocamento para o azul é observado na borda de absorção do espectro de transmitância de Ga ₂ O ₃ na safira como PAT crescente, devido à incorporação de Al do substrato de safira em Ga ₂ O ₃ para formar (Al _x Ga _{1– x} ) ₂ O ₃ . A difração de raios-X de alta resolução e medição de espectros de transmitância indicam que a composição de Al substitucional e bandgap de (Al _x Ga _{1– x} ) ₂ O ₃ recozido a 1100 ° C pode ser acima de 0,30 e 5,10 eV, respectivamente. O R _máximo da amostra recozida a 1000 ° C aumenta cerca de 500% em comparação com o dispositivo conforme depositado, e a amostra recozida a 1000 ° C tem tempo de subida e tempo de decaimento curtos de 0,148 se 0,067 s, respectivamente. Este trabalho pode abrir caminho para a fabricação de poly-Ga ₂ O ₃ fotodetector ultravioleta e encontrar um método para melhorar a responsividade e velocidade de resposta.

Histórico

Os fotodetectores cegos para a luz solar ultravioleta profunda (DUV) têm uma ampla gama de aplicações, como monitoramento de buracos de ozônio e detecção de chamas, com a vantagem inerente de forte capacidade anti-interferência [1]. Comparado com materiais semicondutores tradicionais como silício e germânio, os materiais semicondutores com gap largo são considerados materiais ideais para fotodetectores cegos para o sol, que têm melhor seletividade para luz ultravioleta e melhor adaptabilidade em ambientes hostis [2]. Muitos pesquisadores se concentraram em AlGaN, MgZnO e Ga ₂ O ₃ Fotodetectores cegos para o sol DUV [2,3,4]. Ga ₂ O ₃ atrai grande atenção devido às suas propriedades ópticas superiores, estabilidade química e alta resistência com um bandgap de 4,8 eV, que é um material promissor para fotodetectores cegos solares [5,6,7,8,9,10,11,12, 13]. Ga ₂ O ₃ filmes finos foram obtidos em substratos estranhos por epitaxia de feixe molecular (MBE) [5, 6], pulverização catódica de magnetron de rádio frequência (RFMS) [7], deposição de laser pulsado (PLD) [8, 9], deposição de camada atômica (ALD ) [10], epitaxia de fase de vapor de haleto (HVPE) [11], deposição de vapor químico orgânico de metal (MOCVD) [12] e método sol-gel [13]. Entre esses métodos, a deposição de RFMS tem sido amplamente utilizada para fabricar vários filmes devido às suas vantagens de fácil controlabilidade, alta eficiência, inofensiva e baixo custo. Portanto, usamos este método para fazer crescer Ga ₂ O ₃ filmes finos para fotodetectores cegos solares DUV.

Neste trabalho, poly-Ga ₂ O ₃ fotodetectores cegos à luz solar foram fabricados no substrato de safira. É demonstrado que os átomos de Al são incorporados a partir do substrato de safira em Ga ₂ O ₃ para formar (Al _x Ga _{1– x} ) ₂ O ₃ após o recozimento pós-térmico. As propriedades estruturais, composição substitucional de Al x , propriedades ópticas e desempenho fotodetector de poli- (Al _x Ga _{1– x} ) ₂ O ₃ filmes com diferentes temperaturas pós-recozimento (PATs) foram investigados.

Método

Neste experimento, poly-Ga ₂ O ₃ filmes finos foram cultivados em substratos de safira orientados para polimento único (0006) por RFMS a 600 ° C com o poder de pulverização catódica de 120 W. A pressão de trabalho foi mantida constante a 5 mTorr e o fluxo de argônio foi de 20 sccm ao longo da deposição. A espessura dos filmes depositados na safira foi medida em cerca de 164 nm. Após a deposição, o pós-recozimento térmico foi realizado em uma atmosfera de ar por 1 h a 800 ° C, 900 ° C, 1000 ° C e 1100 ° C. Após o recozimento, as amostras foram resfriadas à temperatura ambiente com uma velocidade de 100 ° C / min. O Ti 30 nm e o Ni 80 nm foram então depositados por pulverização catódica como um eletrodo. Após a padronização e corrosão do eletrodo interdigital, os contatos metálicos no Ga ₂ O ₃ foram formados pelo recozimento térmico rápido a 470 ° C em uma atmosfera de nitrogênio [14]. O poli-Ga fabricado ₂ O ₃ fotodetectores cegos solares têm eletrodos interdigitais de metal semicondutor (MSM) como mostrado na Fig. 1. O comprimento, largura e espaço entre os dedos foram 500 μm, 6 μm e 15 μm, respectivamente, e o comprimento total de os dedos medem 1,8 cm.

O esquema do fotodetector baseado em poly-Ga ₂ O ₃ filme fino

Resultados e discussão

As propriedades estruturais do Ga ₂ O ₃ os filmes foram investigados por difração de raios-X de alta resolução (HRXRD). A Figura 2 apresenta as curvas HRXRD para as amostras que foram depositadas e recozidas em diferentes temperaturas. Picos correspondentes a \ (\ left (\ overline {2} 01 \ right) \), (400), (111), \ (\ left (\ overline {4} 02 \ right) \), (600), ( 510), e \ (\ left (\ overline {6} 03 \ right) \) planos de β-Ga ₂ O ₃ cristais [15] revelam que o Ga ₂ O ₃ filme consiste em monoclínico β-Ga ₂ O ₃ policristalino com orientação aleatória. A amostra conforme depositada exibe uma intensidade de pico mais alta para o plano (400) em comparação com os outros planos. O PAT leva à melhoria das intensidades de \ (\ left (\ overline {2} 01 \ right) \), (400), \ (\ left (\ overline {4} 02 \ right) \), e \ (\ left (\ overline {6} 03 \ right) \) planos.

Os picos de XRD das amostras sem e com pós recozimento térmico em diferentes temperaturas

As Figuras 3a eb focam nos picos HRXRD para os planos \ (\ left (\ overline {2} 01 \ right) \) e \ (\ left (\ overline {6} 03 \ right) \), respectivamente. A largura total na metade do máximo (FWHM) do pico foi usada para calcular o tamanho do grão resolvendo a fórmula de Debye-Scherrer [16] para avaliar a dependência da qualidade cristalina de Ga ₂ O ₃ filmes no PAT. Pode ser visto na Tabela 1 que a temperatura de recozimento mais alta produz um tamanho de grão maior conforme o PAT aumenta de 800 ° C para 1000 ° C, mas o tamanho do grão diminui ligeiramente no PAT de 1100 ° C. A difusão do Al do Al ₂ O ₃ substratos em Ga ₂ O ₃ filmes submetidos a um PAT acima de 1000 ° C tem sido amplamente observado [17,18,19]. Como mostrado na Fig. 3c, os picos de HRXRD mudando para o ângulo de difração mais alto é devido ao Al do substrato de safira se difundir em Ga ₂ O ₃ filme para formar (Al _x Ga _{1– x} ) ₂ O ₃ após o recozimento.

Os picos de XRD de a \ (\ left (\ overline {2} 01 \ right) \) plano e b \ (\ left (\ overline {6} 03 \ right) \) plano das amostras antes e depois do recozimento. c posição de pico e d espaçamento plano dos planos \ (\ left (\ overline {2} 01 \ right) \) e \ (\ left (\ overline {6} 03 \ right) \)

Com base na lei de Bragg, o espaçamento do plano d de \ (\ left (\ overline {2} 01 \ right) \) e \ (\ left (\ overline {6} 03 \ right) \) planos de (Al _x Ga _{1– x} ) ₂ O ₃ são calculados e mostrados na Fig. 3d, respectivamente. De acordo com a Ref. [20], os parâmetros de rede podem ser calculados por a =(12,21 - 0,42 x ) Å, b =(3,04 - 0,13 x ) Å, c =(5,81 - 0,17 x ) Å, β =(103,87 + 0,31 x ) °. O d de \ (\ left (\ overline {6} 03 \ right) \) é expresso como [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)
onde h =-6, k =0 e l =3. Com base nos valores da Fig. 3d, o x de poli- (Al _x Ga _{1– x} ) ₂ O ₃ pode ser conseguida. O bandgap E _g de (Al _x Ga _{1– x} ) ₂ O ₃ pode ser calculado por
$$ {E} _ {\ mathrm {g}} (x) =\ left (1-x \ right) {E} _ {\ mathrm {g}} \ left [{Ga} _2 {O} _3 \ right ] + {xE} _ {\ mathrm {g}} \ left [{Al} _2 {O} _3 \ right] - nx \ left (1-x \ right), $$ (2)
onde E _g [Ga ₂ O ₃ ] =4,65 eV, E _g [Al ₂ O ₃ ] =7,24 eV, n =1,87 eV [22]. O x calculado e E _g valores de poli- (Al _x Ga _{1– x} ) ₂ O ₃ são mostrados na Tabela 2. Um x valor acima de 0,30 é alcançado na amostra após um PAT a 1100 ° C.

As imagens do microscópio de força atômica (AFM) na Fig. 4 mostram que os valores de rugosidade da superfície da raiz quadrada média (RMS) do filme conforme depositado e as amostras recozidas a 800 ° C e 900 ° C são 3,62 nm, 10,1 nm, e 14,1 nm, respectivamente. A recristalização causada pelo alto PAT resulta em um tamanho de grão maior, o que pode ser confirmado adicionalmente por uma superfície mais rugosa.

Imagens AFM de a poli-Ga depositado ₂ O ₃ na safira, b amostras recozidas a 800 ° C e c 900 ° C

Os valores de E _g do (Al _x Ga _{1– x} ) ₂ O ₃ filmes finos antes e depois do recozimento foram caracterizados pela medição dos espectros de transmitância. Como mostrado na Fig. 5a, as amostras recozidas têm um deslocamento para o azul na borda de absorção em comparação com aquela depositada. Um menor λ é adquirida com o aumento da PAT, em decorrência da incorporação da Al. O Ga ₂ O ₃ as amostras têm uma transmitância muito baixa mesmo na faixa do visível, o que pode ser devido à absorção do complexo não radiativo induzida pelos defeitos nos materiais. O coeficiente de absorção α dos filmes é calculado por [23, 24]
$$ \ alpha =\ left (1 / t \ right) \ ln \ left [{\ left (1-r \ right)} ^ 2 / T \ right], $$ (3)

a Espectros de transmitância de poli- (Al _{x recozido e recozido} Ga _{1– x} ) ₂ O ₃ amostras b ( α h ν ) ² vs. h ν curvas para poli-Ga ₂ O ₃ amostras. A extrapolação das regiões lineares para o eixo horizontal estima o E _g valores

onde T é a transmitância, r é a refletância, e t é a espessura do filme. A relação entre o coeficiente de absorção α e energia de fóton incidente h ν segue uma lei de potência da forma
$$ \ left (\ alpha h \ nu \ right) =B {\ left (h \ nu - {E} _ {\ mathrm {g}} \ right)} ^ {1/2}, $$ (4)
onde B é o parâmetro de largura da borda de absorção [23]. Usando essas fórmulas, a relação entre h ν e ( α h ν ) ² pode ser obtido como mostrado na Fig. 5b. Ao extrapolar as regiões lineares do gráfico para o eixo horizontal, o E _g os valores das amostras são avaliados como 4,65 eV, 4,72 eV, 4,78 eV, 4,81 eV e 5,10 eV. Conforme mostrado na Tabela 2, o experimental E _g os valores das amostras são consistentes com aqueles calculados com base nos resultados do HRXRD.

Para investigar a responsividade R e fotocorrente I _foto de poli- (Al _x Ga _{1– x} ) ₂ O ₃ fotodetectores, medições ópticas variaram iluminação diferente λ de 220 a 300 nm com um P _leve de 0,5 mW / cm ² . O R é calculado por
$$ R =\ left ({I} _ {\ mathrm {foto}} - {I} _ {\ mathrm {dark}} \ right) / \ left ({P} _ {\ mathrm {light}} S \ direita), $$ (5)
onde eu _escuro é a corrente escura e S é a área iluminada efetiva. A Figura 6 mostra uma mudança visível para o azul no R máximo das amostras recozidas em comparação com o filme conforme depositado. Isso prova que um E maior _g de amostras policristalinas foi obtido após o recozimento com a difusão de Al do substrato de safira em Ga ₂ O ₃ para formar (Al _x Ga _{1– x} ) ₂ O ₃ . O R _máximo do dispositivo recozido a 1100 ° C é 35 μA / W, que é menor do que 0,037 A / W, 0,903 A / W e 1,13 mA / W aqueles foram cultivados por MBE [5], PLD [25] e sol -gel método [26], respectivamente, devido ao fato de que o poly-Ga ₂ O ₃ tem uma baixa transmitância, conforme mostrado na Fig. 5a. Mas, em comparação com o dispositivo depositado, o R _máximo do dispositivo recozido a 1000 ° C aumenta em cerca de 500%. Observa-se que R de dispositivos diminui no comprimento de onda mais curto do que em R _máximo , semelhante ao de [27]. Isso pode ser devido à perda de energia que ocorre durante o processo de relaxamento dos portadores no caso de energia do fóton acima de E _g de materiais. R _máximo o aumento com o aumento do PAT de 800 ° C para 1000 ° C é atribuído ao aumento do tamanho de grão do filme.

R versus iluminação óptica λ para o poli- (Al _x Ga _{1– x} ) ₂ O ₃ fotodetectores em V _preconceito de 5 V

A Figura 7 mostra a fotocorrente I _foto , corrente escura eu _escuro e PDCR versus tensão de polarização V _preconceito para os fotodetectores sob a intensidade de iluminação de 0,5 mW / cm ² e λ de 254 nm. Conforme mostrado na Fig. 7a, I _foto aumenta quase linearmente com o V _preconceito . Além disso, conforme o PAT aumenta de 800 ° C para 1000 ° C, os fotodetectores ganham um I maior _foto . Mas o eu _foto do dispositivo recozido a 1100 ° C é menor do que aquele da amostra como depositada, devido à energia do fóton ser menor do que o bangap da amostra recozida a 1100 ° C, que não pode gerar foto-portadores. As amostras recozidas mostram um maior I _escuro do que a amostra conforme depositada, conforme ilustrado na Fig. 7b. Especula-se que a recristalização aumenta a condutividade de poly-Ga ₂ O ₃ , resultando no aprimoramento de ambos I _foto e eu _escuro dos fotodetectores e o PDCR da amostra com PAT de 1000 ° C é superior ao das outras amostras. Pode-se notar que a corrente escura da amostra recozida a 900 ° C é maior do que outras, o que pode ser atribuído ao aumento dos portadores com o aumento do PAT, mas com o PAT aumentando ainda mais, a interdifusão do Al e Ga ocorre em um substrato de safira, destruindo assim a condutividade do filme [17].

a eu _foto - V _preconceito , b eu _escuro - V _preconceito , e c Características de PDCR do poli- (Al _{x depositado} Ga _{1– x} ) ₂ O ₃ filme e as amostras recozidas em diferentes temperaturas sob a intensidade de iluminação de 0,5 mW / cm ² e λ de 254 nm

As características de fotorresposta dos fotodetectores são representadas na Fig. 8a. Uma iluminação com λ de 254 nm foi usado durante as medições. O P _leve , V _preconceito , e o período foi de 0,5 mW / cm ² , 5 V e 5 s, respectivamente. Existem dois procedimentos para os processos de ascensão e decadência:resposta rápida e resposta lenta. Geralmente, o componente de resposta rápida pode ser atribuído à rápida mudança da concentração de portadores assim que a luz é ligada / desligada [28], enquanto os portadores fotogerados podem ser capturados pelos níveis de defeito no bandgap, o que poderia atrasar a coleta do portador durante a iluminação UV e recombinação quando a luz foi desligada, resultando no componente de resposta lenta. Para um estudo de comparação quantitativa do fotodetector recozido em diferentes temperaturas, os processos de aumento e queda podem ser ajustados com uma equação de relaxação biexponencial do seguinte tipo [29]:
$$ I ={I} _0 + {Ce} ^ {- t / {\ tau} _1} + {De} ^ {- t / {\ tau} _2}, $$ (6)

a Dependência do tempo das características de fotorresposta b tempo de ascensão e decadência

onde eu ₀ é a fotocorrente em estado estacionário, t é a hora, C e D são as constantes, τ ₁ e τ ₂ são duas constantes de tempo de relaxamento. O tempo de subida τ _r1 e τ _r2 correspondem à resposta rápida e à resposta lenta, respectivamente, e ao tempo de decaimento τ _d1 e τ _d2 de cada fotodetector são calculados, conforme mostrado na Tabela 3. Vê-se claramente que o tempo de resposta diminui após o processo de recozimento. O tempo de subida τ _r1 é reduzido de 0,215 s para 0,148 s, e o tempo de decaimento τ _d1 é reduzido de 0,133 para 0,067 s. É atribuído ao fato de que o processo de recozimento reduz a concentração de vacâncias de oxigênio no poli-Ga ₂ O ₃ filme [28]. A transição direta se torna a principal fonte de portadoras desequilibradas geradas por foto, assim, o tempo de resposta rápida diminui. O tempo de decaimento τ _d2 diminui de 1,072 para 0,634 s, indicando que há menos vacâncias de oxigênio e outros defeitos nas amostras recozidas também, devido à constante de tempo do decaimento transiente ser geralmente governado por essas armadilhas. Além disso, o tamanho de grão aumentado com PAT pode reduzir o tempo de transporte dos fotocondutores, melhorando as propriedades do tempo de relaxamento dos dispositivos.

A Tabela 4 mostra a comparação do I _escuro , tempo de subida ( τ _r ), e tempo de decaimento ( τ _d ) de fotodetectores cegos à luz solar com base em β-, α- e ε-Ga ₂ O ₃ filmes finos sintetizados por RFMS [30] e outras técnicas [2, 6, 26, 31,32,33,34]. Como visto, o dispositivo tem corrente escura baixa e tempo de resposta rápido é difícil, mas o fotodetector que fabricamos apresenta corrente escura baixa e tempo de resposta rápido.

Conclusões

Em resumo, depositamos poly-Ga ₂ O ₃ filme fino por pulverização catódica de magnetron no substrato de safira plano C com pós recozimento térmico sob temperatura diferente; então, o ultravioleta poli-Ga ₂ O ₃ fotodetector foi fabricado. Comparado com o Ga ₂ depositado O ₃ filme fino, as amostras recozidas possuem um tamanho de grão maior e um bandgap mais amplo devido à recristalização e à difusão do Al em Ga ₂ O ₃ . O R _máximo do dispositivo recozido a 1000 ° C aumenta cerca de 500% em comparação com o dispositivo conforme depositado, e a amostra recozida a 1000 ° C mostra uma corrente escura baixa de 0,0033 nA sob a polarização de 5 V. Além disso, o fotodetector cego solar fabricado no filme recozido a 1000 ° C mostra um tempo de resposta rápido, com um tempo de subida e descida de 0,148 se 0,067 s, respectivamente. Esses resultados são úteis para fabricar os fotodetectores DUV com baixa corrente escura e tempo de resposta rápido.

Disponibilidade de dados e materiais

Os conjuntos de dados que suportam as conclusões deste artigo estão incluídos no artigo.

Abreviações

Ga ₂ O ₃ :: Óxido de gálio
PAT:: Temperatura pós-recozimento
DUV:: Ultravioleta profundo
MBE:: Epitaxia de feixe molecular
RFMS:: Pulverização magnetron de radiofrequência
PLD:: Deposição de laser pulsado
ALD:: Deposição de camada atômica
HVPE:: Epitaxia de fase vapor de haleto
MOCVD:: Deposição de vapor químico orgânico de metal
MSM:: Metal-semicondutor-metal
HRXRD:: Difração de raios-x de alta resolução
FWHM:: Largura total pela metade no máximo
AFM:: Microscópio de Força Atômica
RMS:: Raiz quadrada média

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