Efectos del recocido posterior en el rendimiento eléctrico del fotodetector de Ga2O3 policristalino en zafiro

Resultados y discusión

Las propiedades estructurales del Ga ₂ O ₃ Las películas se investigaron mediante difracción de rayos X de alta resolución (HRXRD). La Figura 2 presenta las curvas HRXRD para las muestras que se depositaron y recocieron a diferentes temperaturas. Picos correspondientes a \ (\ left (\ overline {2} 01 \ right) \), (400), (111), \ (\ left (\ overline {4} 02 \ right) \), (600), ( 510) y \ (\ left (\ overline {6} 03 \ right) \) planos de β-Ga ₂ O ₃ cristales [15] revelan que el Ga ₂ O ₃ La película consiste en β-Ga ₂ monoclínico O ₃ policristalino con orientación aleatoria. La muestra depositada exhibe un pico de intensidad más alto para el plano (400) en comparación con los otros planos. El PAT conduce a la mejora de las intensidades de \ (\ left (\ overline {2} 01 \ right) \), (400), \ (\ left (\ overline {4} 02 \ right) \) y \ (\ left (\ overline {6} 03 \ right) \) planos.

Los picos XRD de las muestras sin y con post recocido térmico a diferentes temperaturas

Las figuras 3a yb se enfocan en los picos HRXRD para los planos \ (\ left (\ overline {2} 01 \ right) \) y \ (\ left (\ overline {6} 03 \ right) \), respectivamente. El ancho completo a la mitad del máximo (FWHM) del pico se usó para calcular el tamaño de grano resolviendo la fórmula de Debye-Scherrer [16] para evaluar la dependencia de la calidad cristalina de Ga ₂ O ₃ películas en PAT. Puede verse en la Tabla 1 que una temperatura de recocido más alta produce un tamaño de grano más grande a medida que la PAT aumenta de 800 ° C a 1000 ° C, pero el tamaño de grano disminuye ligeramente en la PAT de 1100 ° C. La difusión de Al del Al ₂ O ₃ sustratos en Ga ₂ O ₃ películas sometidas a una PAT por encima de 1000 ° C se ha observado ampliamente [17,18,19]. Como se muestra en la Fig. 3c, los picos de HRXRD que se desplazan al ángulo de difracción más alto se deben a que el Al del sustrato de zafiro se difunde en Ga ₂ O ₃ película para formar (Al _x Ga _{1– x} ) ₂ O ₃ después del recocido.

Los picos XRD de a \ (\ left (\ overline {2} 01 \ right) \) plano y b \ (\ left (\ overline {6} 03 \ right) \) plano de las muestras antes y después del recocido. c posición pico y d espaciado plano de \ (\ left (\ overline {2} 01 \ right) \) y \ (\ left (\ overline {6} 03 \ right) \) planos

Según la ley de Bragg, el espacio entre planos d de los planos \ (\ left (\ overline {2} 01 \ right) \) y \ (\ left (\ overline {6} 03 \ right) \) de (Al _x Ga _{1– x} ) ₂ O ₃ se calculan y se muestran en la Fig. 3d, respectivamente. Según Ref. [20], los parámetros de la red se pueden calcular mediante 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 ) °. El d de \ (\ left (\ overline {6} 03 \ right) \) se expresa como [21]

donde h =-6, k =0 y l =3. Según los valores de la Fig. 3d, la x de poli (Al _x Ga _{1– x} ) ₂ O ₃ puede lograrse. La banda prohibida E _g de (Al _x Ga _{1– x} ) ₂ O ₃ puede ser calculado por

donde E _g [Ga ₂ O ₃ ] =4,65 eV, E _g [Al ₂ O ₃ ] =7,24 eV, n =1,87 eV [22]. El x calculado y E _g valores de la poli- (Al _x Ga _{1– x} ) ₂ O ₃ se muestran en la Tabla 2. Una x Se alcanza un valor superior a 0,30 en la muestra después de una PAT a 1100 ° C.

Las imágenes del microscopio de fuerza atómica (AFM) en la Fig.4 muestran que los valores de rugosidad de la raíz cuadrada media (RMS) de la película depositada y las muestras recocidas a 800 ° C y 900 ° C son 3.62 nm, 10.1 nm, y 14,1 nm, respectivamente. La recristalización causada por el alto PAT da como resultado un tamaño de grano más grande, que puede ser confirmado adicionalmente por una superficie más rugosa.

Imágenes AFM de a poli-Ga ₂ depositado O ₃ en zafiro, b muestras recocidas a 800 ° C, y c 900 ° C

Los valores de E _g del (Al _x Ga _{1– x} ) ₂ O ₃ Las películas delgadas antes y después del recocido se caracterizaron midiendo los espectros de transmitancia. Como se muestra en la Fig. 5a, las muestras recocidas tienen un desplazamiento azul en el borde de absorción en comparación con el que se deposita. Un λ más corto se adquiere con el aumento de PAT, debido a la incorporación de Al. El Ga ₂ O ₃ las muestras tienen una transmitancia muy baja incluso en el rango visible, lo que podría deberse a la absorción del complejo no radiativo inducida por los defectos en los materiales. El coeficiente de absorción α de las películas se calcula mediante [23, 24]

un Espectros de transmitancia de poli (Al _{x recién depositado y recocido)} Ga _{1– x} ) ₂ O ₃ muestras b ( α h ν ) ² frente a h ν curvas para poli-Ga ₂ O ₃ muestras. La extrapolación de las regiones lineales al eje horizontal estima la E _g valores

donde T es la transmitancia, r es la reflectancia y t es el espesor de la película. La relación entre el coeficiente de absorción α y energía fotónica incidente h ν sigue una ley de potencia de la forma

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

donde B es el parámetro de ancho de borde de absorción [23]. Al usar estas fórmulas, la relación entre h ν y ( α h ν ) ² se puede obtener como se muestra en la Fig. 5b. Al extrapolar las regiones lineales del gráfico al eje horizontal, la E _g Los valores de las muestras se evalúan como 4,65 eV, 4,72 eV, 4,78 eV, 4,81 eV y 5,10 eV. Como se muestra en la Tabla 2, el E experimental _g Los valores de las muestras son consistentes con los calculados en base a los resultados de HRXRD.

Para investigar la capacidad de respuesta R y fotocorriente I _foto de poli (Al _x Ga _{1– x} ) ₂ O ₃ fotodetectores, mediciones ópticas variadas iluminación diferente λ de 220 a 300 nm con una P _ligero de 0,5 mW / cm ² . La R es calculado por

$$ R =\ left ({I} _ {\ mathrm {photo}} - {I} _ {\ mathrm {oscuro}} \ right) / \ left ({P} _ {\ mathrm {claro}} S \ derecha), $$ (5)

donde yo _oscuro es la corriente oscura y S es el área iluminada efectiva. La figura 6 muestra un desplazamiento azul visible en la R máxima de las muestras recocidas en comparación con la película depositada. Esto prueba que un E más grande _g de muestras policristalinas se ha obtenido después de recocido con la difusión de Al del sustrato de zafiro en Ga ₂ O ₃ para formar (Al _x Ga _{1– x} ) ₂ O ₃ . La R _máx del dispositivo recocido a 1100 ° C es 35 μA / W, que es más pequeño que los 0.037 A / W, 0.903 A / W y 1.13 mA / W que se cultivaron con MBE [5], PLD [25] y sol -gel método [26], respectivamente, debido al hecho de que el poli-Ga ₂ O ₃ tiene una transmitancia baja, como se muestra en la Fig. 5a. Pero en comparación con el dispositivo depositado, el R _máx del dispositivo recocido a 1000 ° C aumenta en aproximadamente un 500%. Se observa que R de dispositivos disminuye en una longitud de onda más corta que en R _máx , similar al de [27]. Esto podría deberse a la pérdida de energía que se produce durante el proceso de relajación de los portadores en caso de que la energía de los fotones supere E _g de materiales. R _máx el aumento con el PAT pasando de 800 ° C a 1000 ° C se atribuye al aumento del tamaño de grano de la película.

R versus iluminación óptica λ para el poli- (Al _x Ga _{1– x} ) ₂ O ₃ fotodetectores en V _sesgo de 5 V

La figura 7 muestra la fotocorriente I _foto , corriente oscura I _oscuro y PDCR versus voltaje de polarización V _sesgo para los fotodetectores con una intensidad de iluminación de 0,5 mW / cm ² y λ de 254 nm. Como se muestra en la Fig. 7a, I _foto aumenta casi linealmente con la V _sesgo . Además, a medida que PAT aumenta de 800 ° C a 1000 ° C, los fotodetectores obtienen un I más grande _foto . Pero el yo _foto del dispositivo recocido a 1100 ° C es menor que la de la muestra depositada, debido a que la energía del fotón es menor que la vibración de la muestra recocida a 1100 ° C, que no puede generar fotoportadores. Las muestras recocidas muestran un I más alto _oscuro que la muestra depositada, como se muestra en la Fig. 7b. Se especula que la recristalización mejora la conductividad del poli-Ga ₂ O ₃ , lo que resulta en la mejora de I _foto y yo _oscuro de los fotodetectores, y el PDCR de la muestra con una PAT de 1000 ° C es superior al de las otras muestras. Se puede observar que la corriente oscura de la muestra recocida a 900 ° C es mayor que otras, lo que puede atribuirse a los portadores aumentados con el PAT aumentando, pero con el PAT aumentando aún más, la interdifusión de Al y Ga tiene lugar en un sustrato de zafiro, destruyendo así la conductividad de la película [17].

un yo _foto - V _sesgo , b yo _oscuro - V _sesgo y c Características de PDCR del poli (Al _{x depositado)} Ga _{1– x} ) ₂ O ₃ película y las muestras recocidas a diferentes temperaturas bajo la intensidad de iluminación de 0,5 mW / cm ² y λ de 254 nm

Las características de fotorrespuesta de los fotodetectores se muestran en la Fig. 8a. Una iluminación con λ de 254 nm se utilizó durante las mediciones. La P _ligero , V _sesgo y el período fue de 0,5 mW / cm ² , 5 V y 5 s, respectivamente. Hay dos procedimientos de procesos ascendentes y descendentes:respuesta rápida y respuesta lenta. En general, el componente de respuesta rápida se puede atribuir al rápido cambio de concentración de portadores tan pronto como se enciende / apaga la luz [28], mientras que los portadores fotogenerados pueden quedar atrapados por los niveles de defecto en la banda prohibida, lo que podría retrasar la recogida de portadores durante la iluminación ultravioleta y la recombinación cuando se apagó la luz, lo que da como resultado el componente de respuesta lenta. Para un estudio de comparación cuantitativa del fotodetector recocido a diferentes temperaturas, los procesos de subida y bajada se pueden ajustar con una ecuación de relajación biexponencial del siguiente tipo [29]:

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

un Dependencia del tiempo de las características de la fotorrespuesta b tiempo de subida y bajada

donde yo ₀ es la fotocorriente de estado estacionario, t es el momento, C y D son la constante, τ ₁ y τ ₂ son dos constantes de tiempo de relajación. El tiempo de subida τ _r1 y τ _r2 corresponden a la respuesta rápida y la respuesta lenta, respectivamente, y el tiempo de caída τ _d1 y τ _d2 de cada fotodetector se calculan, como se muestra en la Tabla 3. Se ve claramente que el tiempo de respuesta disminuye después del proceso de recocido. El tiempo de subida τ _r1 se reduce de 0,215 sa 0,148 s, y el tiempo de caída τ _d1 se reduce de 0,133 a 0,067 s. Se atribuye al hecho de que el proceso de recocido reduce la concentración de vacantes de oxígeno en el poli-Ga ₂ O ₃ película [28]. La transición directa se convierte en la principal fuente de portadoras desequilibradas fotogeneradas, por lo que el tiempo de respuesta rápida disminuye. El tiempo de decaimiento τ _d2 disminuye de 1.072 a 0.634 s, lo que indica que hay menos vacantes de oxígeno y otros defectos también en las muestras recocidas, debido a que la constante de tiempo de la desintegración transitoria generalmente se rige por estas trampas. Además, el tamaño de grano aumentado con PAT puede reducir el tiempo de transporte de los fotoportadores, mejorando las propiedades de tiempo de relajación de los dispositivos.

La Tabla 4 muestra la comparación de I _oscuro , tiempo de subida ( τ _r ) y tiempo de decaimiento ( τ _d ) de fotodetectores ciegos al sol basados ​​en β-, α- y ε-Ga ₂ O ₃ películas delgadas sintetizadas por RFMS [30] y otras técnicas [2, 6, 26, 31,32,33,34]. Como se ve, el dispositivo tiene una corriente oscura baja y un tiempo de respuesta rápido es difícil, pero el fotodetector que fabricamos presenta una corriente oscura baja y un tiempo de respuesta rápido.

Conclusiones

En resumen, depositamos poli-Ga ₂ O ₃ película fina por pulverización catódica con magnetrón sobre el sustrato de zafiro del plano c con recocido térmico posterior a diferentes temperaturas; luego, el poli-Ga ₂ ultravioleta O ₃ Se fabricó el fotodetector. En comparación con el Ga ₂ depositado O ₃ película delgada, las muestras recocidas poseen un tamaño de grano más grande y una banda prohibida más amplia debido a la recristalización y la difusión del Al en Ga ₂ O ₃ . La R _máx del dispositivo recocido a 1000 ° C aumenta aproximadamente un 500% en comparación con el dispositivo depositado, y la muestra recocida a 1000 ° C muestra una corriente oscura baja de 0,0033 nA bajo el sesgo de 5 V. Además, el fotodetector ciego al sol fabricado sobre la película recocida a 1000 ° C muestra un tiempo de respuesta rápido, con un tiempo de subida y bajada de 0,148 sy 0,067 s, respectivamente. Estos resultados son útiles para fabricar los fotodetectores DUV con baja corriente oscura y tiempo de respuesta rápido.

Disponibilidad de datos y materiales

Los conjuntos de datos que respaldan las conclusiones de este artículo se incluyen dentro del artículo.

Abreviaturas

Ga ₂ O ₃ :

Óxido de galio

PAT:

Temperatura posterior al recocido

DUV:

Ultravioleta profundo

MBE:

Epitaxia de haz molecular

RFMS:

Pulverización por magnetrón de radiofrecuencia

PLD:

Deposición de láser pulsado

ALD:

Deposición de la capa atómica

HVPE:

Epitaxia en fase vapor de haluro

MOCVD:

Deposición de vapor químico metalorgánico

MSM:

Metal-semiconductor-metal

HRXRD:

Difracción de rayos X de alta resolución

FWHM:

Ancho completo a la mitad del máximo

AFM:

Microscopio de fuerza atómica

RMS:

Raíz cuadrada media

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