サファイア上の多結晶Ga2O3光検出器の電気的性能に及ぼすポストアニーリングの影響

背景

深紫外線（DUV）ソーラーブラインド光検出器は、オゾンホールの監視や炎の検出などの幅広い用途があり、強力な干渉防止能力という固有の利点があります[1]。シリコンやゲルマニウムなどの従来の半導体材料と比較して、ワイドバンドギャップ半導体材料は、紫外線に対する選択性が高く、過酷な環境での適応性が高いソーラーブラインド光検出器にとって理想的な材料であると考えられています[2]。多くの研究者がAlGaN、MgZnO、Ga ₂ に焦点を当てています。 O ₃ DUVソーラーブラインド光検出器[2、3、4]。 Ga ₂ O ₃ 優れた光学特性、化学的安定性、およびバンドギャップ4.8 eVの高強度により大きな注目を集めています。これは、ソーラーブラインド光検出器の有望な材料です[5,6,7,8,9,10,11,12、 13]。 Ga ₂ O ₃ 薄膜は、分子線エピタキシー（MBE）[5、6]、高周波マグネトロンスパッタリング（RFMS）[7]、パルスレーザー堆積（PLD）[8、9]、原子層堆積（ALD）によって外来基板上に得られています。 ）[10]、ハロゲン化物気相エピタキシー（HVPE）[11]、有機金属化学気相成長法（MOCVD）[12]、およびゾルゲル法[13]。これらの方法の中で、RFMS蒸着は、制御が容易で、効率が高く、無害で、コストが低いという利点があるため、さまざまなフィルムの製造に広く使用されています。したがって、この方法を使用してGa ₂ を成長させました。 O ₃ DUVソーラーブラインド光検出器用の薄膜。

この作品では、poly-Ga ₂ O ₃ ソーラーブラインド光検出器は、サファイア基板上に製造されました。 Al原子がサファイア基板からGa ₂ に組み込まれていることが示されています。 O ₃ 形成する（Al _x Ga _{1– x} ） ₂ O ₃ ポストサーマルアニーリング後。構造特性、置換Al組成 x 、ポリの光学特性、および光検出器の性能-（Al _x Ga _{1– x} ） ₂ O ₃ アニーリング後の温度（PAT）が異なるフィルムを調査しました。

メソッド

この実験では、poly-Ga ₂ O ₃ 薄膜は、単一研磨された（0006）配向サファイア基板上に、600°C、スパッタリングパワー120WでRFMSによって成長しました。使用圧力は5mTorrで一定に保たれ、アルゴンの流れは堆積全体を通して20sccmでした。サファイア上に堆積された膜の厚さは約164nmであると測定されました。堆積後、800°C、900°C、1000°C、および1100°Cで1時間、空気雰囲気中でポストサーマルアニーリングを実行しました。アニーリング後、サンプルを100°C /分の速度で室温まで冷却しました。次に、30nmのTiと80nmのNiを、電極としてマグネトロンスパッタリングによって堆積させました。インターデジタル電極のパターニングとエッチングの後、Ga ₂ の金属接点 O ₃ 窒素雰囲気中、470℃での急速熱アニーリングによって形成されました[14]。製造されたポリGa ₂ O ₃ ソーラーブラインド光検出器は、図1に示すように、金属-半導体-金属（MSM）インターデジタル電極を備えています。指の長さ、幅、間隔はそれぞれ500μm、6μm、15μmで、全長は指は1.8cmです。

poly-Ga ₂ に基づく光検出器の概略図 O ₃ 薄膜

結果と考察

Ga ₂ の構造特性 O ₃ フィルムは高解像度X線回折（HRXRD）によって調査されました。図2は、さまざまな温度で堆積およびアニールされたサンプルのHRXRD曲線を示しています。 \（\ left（\ overline {2} 01 \ right）\）、（400）、（111）、\（\ left（\ overline {4} 02 \ right）\）、（600）、（ 510）、および\（\ left（\ overline {6} 03 \ right）\）β-Ga ₂ の平面 O ₃ 結晶[15]は、Ga ₂ O ₃ フィルムは単斜晶系β-Ga ₂ で構成されています O ₃ ランダムな向きの多結晶。堆積されたままのサンプルは、他の平面と比較して、（400）平面に対してより高いピーク強度を示します。 PATは、\（\ left（\ overline {2} 01 \ right）\）、（400）、\（\ left（\ overline {4} 02 \ right）\）、および\の強度の向上につながります。 （\ left（\ overline {6} 03 \ right）\）平面。

異なる温度でのポストサーマルアニーリングの有無によるサンプルのXRDピーク

図3aとbは、それぞれ\（\ left（\ overline {2} 01 \ right）\）平面と\（\ left（\ overline {6} 03 \ right）\）平面のHRXRDピークに焦点を当てています。ピークの半値全幅（FWHM）を使用して、Debye-Scherrerの式[16]を解き、Ga ₂ の結晶品質の依存性を評価することにより、粒子サイズを計算しました。 O ₃ PATの映画。表1から、PATが800°Cから1000°Cに上昇すると、アニーリング温度が高くなると粒子サイズが大きくなることがわかりますが、PATが1100°Cの場合、粒子サイズはわずかに減少します。 Al ₂ からのAlの拡散 O ₃ Ga ₂ への基板 O ₃ 1000°Cを超えるPATを受けたフィルムは広く観察されています[17、18、19]。図3cに示すように、HRXRDのピークがより高い回折角にシフトするのは、サファイア基板からのAlがGa ₂ に拡散するためです。 O ₃ 形成するフィルム（Al _x Ga _{1– x} ） ₂ O ₃ アニーリング後。

a のXRDピーク \（\ left（\ overline {2} 01 \ right）\）平面と b \（\ left（\ overline {6} 03 \ right）\）アニーリング前後のサンプルの平面。 c ピーク位置と d \（\ left（\ overline {2} 01 \ right）\）および\（\ left（\ overline {6} 03 \ right）\）平面の平面間隔

ブラッグの法則に基づいて、平面間隔 d （Al _{x の\（\ left（\ overline {2} 01 \ right）\）および\（\ left（\ overline {6} 03 \ right）\）平面の} Ga _{1– x} ） ₂ O ₃ 計算され、それぞれ図3dに示されています。参考文献によると。 [20]、格子定数は a で計算できます =（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 ）°。 d \（\ left（\ overline {6} 03 \ right）\）のは[21]

ここで h =-6、 k =0、および l =3.図3dの値に基づいて、 x ポリ-（Al _x Ga _{1– x} ） ₂ O ₃ 達成することができます。バンドギャップ E _g of（Al _x Ga _{1– x} ） ₂ O ₃ によって計算することができます

ここで E _g [Ga ₂ O ₃ ] =4.65 eV、 E _g [Al ₂ O ₃ ] =7.24 eV、n =1.87 eV [22]。計算された x および E _g ポリの値-（Al _x Ga _{1– x} ） ₂ O ₃ 表2に示します。 x 0.30を超える値は、1100°CでのPAT後のサンプルで達成されます。

図4の原子間力顕微鏡（AFM）画像は、堆積したままの膜と800°Cおよび900°Cでアニールしたサンプルの表面二乗平均平方根（RMS）粗さの値が3.62 nm、10.1nmであることを示しています。それぞれ14.1nm。高いPATによって引き起こされる再結晶は、より大きな粒子サイズをもたらします。これは、より粗い表面によってさらに確認できます。

a のAFM画像 堆積したままのポリGa ₂ O ₃ サファイアの場合、 b 800°Cでアニールされたサンプル、および c 900°C

E の値 _g （Al _x Ga _{1– x} ） ₂ O ₃ アニーリング前後の薄膜は、透過率スペクトルを測定することによって特徴づけられました。図5aに示すように、アニールされたサンプルは、堆積されたままのサンプルと比較して、吸収端で青方偏移を持っています。短いλ Alの取り込みにより、PATの増加に伴って取得されます。 Ga ₂ O ₃ サンプルは、可視範囲でも透過率が非常に低くなります。これは、材料の欠陥によって引き起こされる非放射複合吸収が原因である可能性があります。吸収係数α フィルムの数は[23、24]

a 堆積およびアニールされたポリ-（Al _{x ）の透過率スペクトル} Ga _{1– x} ） ₂ O ₃ サンプル b （α h ν ） ² vs.h ν poly-Ga ₂ の曲線 O ₃ サンプル。横軸への線形領域の外挿は、 E を推定します _g 値

ここで T は透過率、 r は反射率であり、 t は膜厚です。吸収係数αの関係 および入射光子エネルギーh ν フォームのべき法則に従う

ここで B は吸収端幅パラメータです[23]。これらの式を使用することにより、h ν間の関係 および（α h ν ） ² 図5bに示すように取得できます。プロットの線形領域を横軸に外挿することにより、 E _g サンプルの値は、4.65 eV、4.72 eV、4.78 eV、4.81 eV、および5.10eVとして評価されます。表2に示すように、実験的な E _g サンプルの値は、HRXRDの結果に基づいて計算された値と一致しています。

応答性を調査するには R と光電流 I _写真 ポリ-（Al _x Ga _{1– x} ） ₂ O ₃ 光検出器、光学測定はさまざまな照明を変化させましたλ P で220〜300nm <サブ>ライト 0.5 mW / cm ² 。 R によって計算されます

ここで私 _暗い は暗電流であり、 S 有効な照らされた領域です。図6は、最大 R の目に見える青方偏移を示しています 堆積されたままの膜と比較したアニールされたサンプルの。これは、 E が大きいことを証明しています _g サファイア基板からGa ₂ へのAlの拡散によるアニーリング後に、多結晶サンプルが得られました。 O ₃ 形成する（Al _x Ga _{1– x} ） ₂ O ₃ 。 R _max 1100°Cでアニールされたデバイスの温度は35μA/ Wであり、MBE [5]、PLD [25]、およびsolによって成長した0.037 A / W、0.903 A / W、および1.13 mA / Wよりも小さくなっています。 -ゲル法[26]、それぞれ、ポリ-Ga ₂ O ₃ 図5aに示すように、透過率は低くなります。ただし、デポジットされたままのデバイスと比較すると、 R _max 1000°Cでアニールされたデバイスの割合は約500％増加します。 R R よりも短い波長でデバイスの数が減少します _max 、[27]と同様です。これは、 E を超える光子エネルギーの場合、キャリアの緩和プロセス中に発生するエネルギー損失が原因である可能性があります。 _g 材料の。 R _max PATが800°Cから1000°Cに上昇するにつれて増加するのは、フィルムの粒子サイズが増加したためです。

R 対照明光学λ ポリの場合-（Al _x Ga _{1– x} ） ₂ O ₃ V の光検出器 _バイアス 5 V

図7は、光電流 I を示しています。 _写真 、暗電流 I _暗い 、およびPDCR対バイアス電圧 V _バイアス 0.5 mW / cm ² の照度での光検出器の場合 およびλ 254nmの。図7aに示すように、 I _写真 V とともにほぼ直線的に増加します _バイアス 。さらに、PATが800°Cから1000°Cに上昇すると、光検出器はより大きな I を獲得します。 _写真 。しかし、私 _写真 光子のエネルギーが1100°Cでアニーリングされたサンプルのバンガップよりも小さいため、1100°Cでアニーリングされたデバイスの光子は堆積されたままのサンプルのそれよりも低く、光キャリアを生成できません。アニーリングされたサンプルは、より高い I を示します _暗い 図7bに示すように、堆積したままのサンプルよりも。再結晶によりポリGa ₂ の導電性が向上すると推測されます。 O ₃ 、結果として両方の I が強化されます _写真 および私 _暗い 光検出器のPDCR、およびPATが1000°CのサンプルのPDCRは、他のサンプルのPDCRよりも高くなっています。 900°Cでアニールされたサンプルの暗電流は他のサンプルよりも大きいことに注意してください。これは、PATが増加するとキャリアが増加するためと考えられますが、PATがさらに増加すると、AlとGaの相互拡散が発生します。サファイア基板、したがってフィルムの導電性を破壊します[17]。

a 私 _写真 - V _バイアス 、 b 私 _暗い - V _バイアス 、および c 堆積したままのポリのPDCR特性-（Al _x Ga _{1– x} ） ₂ O ₃ フィルムとサンプルは、0.5 mW / cm ² の照明強度の下でさまざまな温度でアニールされました およびλ 254 nm

光検出器の光応答特性を図8aに示します。 λのイルミネーション 測定中は254nmを使用しました。 P <サブ>ライト 、 V _バイアス 、および周期は0.5 mW / cm ² 、5 V、および5s。プロセスの上昇と減衰には、高速応答と低速応答の2つの手順があります。一般に、高速応答成分は、光がオン/オフされるとすぐにキャリア濃度が急速に変化することに起因する可能性があります[28]が、光生成キャリアはバンドギャップの欠陥レベルによってトラップされる可能性があります。ライトがオフになっているため、UV照射および再結合中にキャリア収集を遅らせると、応答が遅くなります。さまざまな温度でアニールされた光検出器の定量的比較研究のために、上昇および減衰プロセスは、次のタイプの双指数緩和方程式に適合させることができます[29]：

a 光応答特性の時間依存性 b 立ち上がり時間と減衰時間

ここで私 ₀ は定常状態の光電流、 t 時間です、 C および D 定数です、τ ₁ およびτ ₂ 2つの緩和時定数です。立ち上がり時間τ _r1 およびτ _r2 それぞれ、高速応答と低速応答、および減衰時間τに対応します。 _d1 およびτ _d2 表3に示すように、各光検出器のが計算されます。アニーリングプロセス後、応答時間が減少することがはっきりとわかります。立ち上がり時間τ _r1 は0.215秒から0.148秒に短縮され、減衰時間はτになります。 _d1 0.133から0.067sに減少します。アニーリングプロセスにより、ポリGa ₂ の酸素空孔濃度が低下するという事実に起因します。 O ₃ 映画[28]。直接遷移は、光生成された不平衡キャリアの主な原因となり、それによって高速応答時間が減少します。減衰時間τ _d2 1.072秒から0.634秒に減少します。これは、一時的な減衰の時定数が一般にこれらのトラップによって支配されるため、アニールされたサンプルにも酸素空孔やその他の欠陥が少ないことを示しています。さらに、PATで粒子サイズを大きくすると、光キャリアの輸送時間が短縮され、デバイスの緩和時間特性が向上します。

表4に、 I の比較を示します。 _暗い 、立ち上がり時間（τ _r ）、および減衰時間（τ _d ）β-、α-、およびε-Ga ₂ に基づくソーラーブラインド光検出器の O ₃ RFMS [30]および他の技術[2、6、26、31、32、33、34]によって合成された薄膜。ご覧のように、デバイスは暗電流が低く、応答時間が速いのは困難ですが、私たちが製造した光検出器は、暗電流が低く、応答時間が速いことを示しています。

結論

要約すると、poly-Ga ₂ をデポジットしました O ₃ 異なる温度下でのポストサーマルアニーリングを伴うc面サファイア基板上へのマグネトロンスパッタリングによる薄膜。次に、紫外線ポリ-Ga ₂ O ₃ 光検出器を製作した。堆積したままのGa ₂ と比較 O ₃ 薄膜の場合、アニールされたサンプルは、再結晶化とAlのGa ₂ への拡散により、より大きな粒子サイズとより広いバンドギャップを持ちます。 O ₃ 。 R _max 1000°Cでアニールされたデバイスの温度は、堆積されたままのデバイスと比較して約500％増加し、1000°Cでアニールされたサンプルは、5Vのバイアス下で0.0033nAの低い暗電流を示します。さらに、ソーラーブラインド光検出器1000°Cでアニールされたフィルム上に作製されたものは、それぞれ0.148秒と0.067秒の立ち上がり時間と減衰時間で速い応答時間を示しています。これらの結果は、暗電流が低く応答時間が速いDUV光検出器を製造するのに役立ちます。

データと資料の可用性

この記事の結論を裏付けるデータセットは、記事に含まれています。

略語

Ga ₂ O ₃ ：

酸化ガリウム

PAT：

アニーリング後の温度

DUV：

深紫外線

MBE：

分子線エピタキシー

RFMS：

高周波マグネトロンスパッタリング

PLD：

パルスレーザー堆積

ALD：

原子層堆積

HVPE：

ハロゲン化物気相エピタキシー

MOCVD：

有機金属化学蒸着

MSM：

金属-半導体-金属

HRXRD：

高解像度X線回折

FWHM：

半値全幅

AFM：

原子間力顕微鏡

RMS：

二乗平均平方根