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薄膜厚度对射频磁控溅射${\boldsymbol{\beta}}$-Ga2O3薄膜光电性能的影响

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李秀华, 张敏, 杨佳, 邢爽, 高悦, 李亚泽, 李思雨, 王崇杰. 薄膜厚度对射频磁控溅射${\boldsymbol{\beta}}$-Ga2O3薄膜光电性能的影响[J]. 物理学报, 2022, 71(4): 048501-1. doi: 10.7498/aps.71.20211744
引用本文: 李秀华, 张敏, 杨佳, 邢爽, 高悦, 李亚泽, 李思雨, 王崇杰. 薄膜厚度对射频磁控溅射${\boldsymbol{\beta}}$-Ga2O3薄膜光电性能的影响[J]. 物理学报, 2022, 71(4): 048501-1. doi: 10.7498/aps.71.20211744
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Xiu-Hua Li, Min Zhang, Jia Yang, Shuang Xing, Yue Gao, Ya-Ze Li, Si-Yu Li, Chong-Jie Wang. Effect of film thickness on photoelectric properties of ${\boldsymbol{\beta}} $-Ga2O3 films prepared by radio frequency magnetron sputtering[J]. Acta Physica Sinica, 2022, 71(4): 048501-1. doi: 10.7498/aps.71.20211744
Citation: Xiu-Hua Li, Min Zhang, Jia Yang, Shuang Xing, Yue Gao, Ya-Ze Li, Si-Yu Li, Chong-Jie Wang. Effect of film thickness on photoelectric properties of ${\boldsymbol{\beta}} $-Ga2O3 films prepared by radio frequency magnetron sputtering[J]. Acta Physica Sinica, 2022, 71(4): 048501-1. doi: 10.7498/aps.71.20211744
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薄膜厚度对射频磁控溅射${\boldsymbol{\beta}}$-Ga2O3薄膜光电性能的影响

  • 辽宁师范大学物理与电子技术学院, 大连　116029

    • 作者简介: 第一作者.E-mail: xiuhuali666@163.com .
    通讯作者: E-mail: m.zhang@live.com;  E-mail: wang_chongjie@163.com

  • 中图分类号: 85.30.-z, 85.60.Gz, 78.66.-w, 61.82.Fk

Effect of film thickness on photoelectric properties of ${\boldsymbol{\beta}} $-Ga2O3 films prepared by radio frequency magnetron sputtering

  • School of Physics and Electronic Technology, Liaoning Normal University, Dalian 116029, China

    • Corresponding authors: E-mail: m.zhang@live.com;  E-mail: wang_chongjie@163.com

  • MSC: 85.30.-z, 85.60.Gz, 78.66.-w, 61.82.Fk

  • 摘要: 本文在室温下利用射频磁控溅射技术在(001)蓝宝石衬底上制备了不同厚度的β-Ga2O3薄膜, 随后将其置于氩气气氛中800 ℃退火1 h. 利用XRD, SEM, UV-Vis分光光度计、PL光致发光光谱仪和Keithley 4200-SCS半导体表征系统等考察薄膜厚度对所得氧化镓薄膜相组成、表面形貌、光学性能以及光电探测性能的影响.结果表明, 随着薄膜厚度的增加, 薄膜结晶质量提高, 840 nm薄膜最佳, 1050 nm薄膜结晶质量略有降低. 不同厚度β-Ga2O3薄膜在波长200—300 nm日盲区域内均具有明显的紫外光吸收, 禁带宽度随着薄膜厚度的增加而增加. PL谱中各发光峰峰强随着薄膜厚度的增加而减小, 表明氧空位及其相关缺陷受到抑制. 在β-Ga2O3薄膜基础上制备出日盲紫外光电探测器的探测性能(光暗电流比, 响应度, 探测率, 外量子效率)也随薄膜厚度的增加呈先增后减的趋势. 厚度约为840 nm的β-Ga2O3紫外光电探测器, 在5V偏压下, 表现出极低的暗电流(4.9 × 10–12 A), 以及在波长254 nm (600 μW/cm2) 紫外光照下, 表现出较高的光暗电流比(3.2 × 105), 较短的响应时间0.09/0.80 s (上升时间), 0.06/0.53 s (下降时间), 其响应度、探测率和外量子效率分别为1.19 mA/W, 1.9 × 1011 Jones和0.58%, 且其光电流随光功率密度和偏置电压的增加几乎呈现线性增加, 可以用于制作日盲紫外探测器.
    Abstract: In this work, β-Ga2O3 films with different thickness are prepared on (001) sapphire substrates at room temperature by the radio frequency magnetron sputtering technology, then the samples are annealed in an Ar atmosphere at 800 ℃ for 1h. The effects of film thickness on the phase composition, surface morphology, optical property, and photoelectric detection performance are investigated using XRD, SEM, UV-Vis spectrophotometer, PL photoluminescence spectrometer, and Keithley 4200-SCS semiconductor characterization system. The results show that as the film thickness increases, the film crystallinity is improved, films with a thickness of 840 nm exhibit best quality, while those with a thickness of 1050 nm declines a little in quality. The β-Ga2O3 films with different thickness exhibit obvious ultraviolet light absorption in the solar-blind region with wavelengths of 200–300 nm, and the bandgap width increases with the film thickness increasing. All the β-Ga2O3 films show a broad UV-green light emission peaks in a wavelength range of 350–600 nm. As the film thickness increases, the intensities of the emission peaks of ultraviolet, violet, and blue light are greatly reduced, indicating that oxygen vacancy-related defects (VO, VGa–VO) are greatly suppressed with film thickness increasing. Solar-blind ultraviolet photodetector is fabricated based on the β-Ga2O3 film. Its photoelectric detection performances (the photo-to-dark current ratio, responsivity, detectivity, and external quantum efficiency) also increase first and decrease then with the increase of film thickness. The β-Ga2O3 ultraviolet photodetector prepared by a thin film with a thickness of 840 nm exhibits a very low dark current (4.9 × 10–12 A) under a 5 V bias voltage and an ultraviolet light with a wavelength of 254 nm (600 μW/cm2). It exhibits a high photo-to-dark current ratio of 3.2 × 105, and a short response time of 0.09/0.80 s (rising time) and 0.06/0.53 s ratio (falling time). Its responsivity (R), detectivity (D *), and the external quantum efficiency (EQE) are 1.19 mA/W, 1.9 × 1011 Jones, and 0.58%, respectively. The prepared device has quantifiable characteristics, and its photocurrent increases almost linearly with the increase of applied voltage and optical power density, and therefore can work in a linear dynamic region, which indicates that it is very suitable for fabricating the solar-blind ultra-violet detectors.
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  • 图 1  β-Ga2O3薄膜的SEM图像　(a)断面; (b)—(d)表面形貌

    Figure 1.  SEM images of the β-Ga2O3 films: (a) Cross-section; (b)–(d) morphology and surface morphology.

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    图 2  不同厚度β-Ga2O3薄膜的XRD图谱

    Figure 2.  XRD patterns of β-Ga2O3 films with different thicknesses.

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    图 3  (a)不同厚度β-Ga2O3薄膜的UV-Vis吸收光谱; (b)β-Ga2O3薄膜α2随hν的变化曲线; (c)不同厚度β-Ga2O3薄膜的光学带隙(Eg)图

    Figure 3.  (a) UV-Vis absorption spectra of β-Ga2O3 thin films with different thicknesses; (b) plot of absorption coefficient vs. photon energy of the β-Ga2O3 films; (c) dependence of optical band gap (Eg) on thickness of the β-Ga2O3 films.

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    图 4  (a)不同薄膜厚度的β-Ga2O3薄膜的PL光谱; (b)薄膜厚度约为840 nm的Ga2O3薄膜的PL高斯拟合峰; (c)—(f)分别显示了不同厚度Ga2O3薄膜在波长约为378, 415, 456和511 nm处的PL拟合峰

    Figure 4.  (a) PL spectrum of the β-Ga2O3 films with different thicknesses; (b) PL Gaussian fitting peak of the β-Ga2O3 film with a thickness of ~840 nm; (c)–(f) respectively shows the PL fitting peaks at ~378, ~415, ~456 and ~511 nm of the β-Ga2O3 films.

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    图 5  (a) β-Ga2O3紫外光电探测器层结构示意图; (b)不同薄膜厚度β-Ga2O3 器件的I-t图; (c), (d) A和D器件瞬态响应曲线的局部放大图

    Figure 5.  (a) Schematic diagram of the β-Ga2O3 ultraviolet photodetector layer structure; (b) I-t curves of the devices based on β-Ga2O3 films with different thicknesses; (c), (d) magnification diagrams of the transient response curves of the device A and D.

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    图 6  (a), (c), (e)为不同器件的I-V曲线, 其中插图为暗电流与电压关系的放大图; (b), (d), (f)为不同器件的光暗电流对数坐标图

    Figure 6.  (a), (c), (e) I-V curves of device A, D and E, respectively. The insets are the enlarged view of the relationship between dark current and voltage. (b), (d), (f) Logarithmic graphs of photo and dark current of device A, D and E, respectively.

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    图 7  器件的薄膜厚度与(a)响应度R的关系曲线以及(b)与探测率D*, EQE的关系曲线

    Figure 7.  (a) Relationship curve between the responsivity (R) and film thickness; (b) relationship curve between the D* & EQE and film thickness.

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    图 8  (a) D器件在不同光功率密度光照下I-t图; (b) D器件在不同偏压下的I-t图; (c)光电流与光功率密度的关系; (d)光电流与外加偏压的关系

    Figure 8.  (a) I-t graph of D device under the illumination with different power densities; (b) I-t graph of D device under different bias voltages; (c) relationship between photocurrent and optical power density; (d) relationship between photocurrent and applied bias voltage.

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    表 1  β-Ga2O3薄膜的厚度

    Table 1.  Thickness of β-Ga2O3 film.

    沉积时间/min1020304050
    薄膜厚度/nm~210~420~630~840~1050
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    表 2  不同器件的光响应时间汇总表

    Table 2.  Summary table of photo-response time of the device A to E.

    器件名ABCDE
    上升时间 τr1/τr2 /s0.35/3.140.21/2.570.15/1.690.09/0.800.07/0.69
    下降时间 τd1/τd2 /s0.16/0.680.13/0.610.09/0.580.06/0.530.05/0.48
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    表 3  国内外Ga2O3薄膜基光电探测器的主要性能指标对比

    Table 3.  Comparison of the representative photoresponse metrics of the photodetectors based on Ga2O3 films.

    SamplesGrowthBias /VIdark /nAτr /sτd/sPDCRR/ (A·W–1)Ref.
    β-Ga2O3Sputtering100.110.31/1.520.05/0.91>103—[33]
    β-Ga2O3MOCVD10340.480.18~10426.1[34]
    β-Ga2O3Sputtering50.11.0/1.41.2/1.3——[12]
    Ga2O3PLD20~0.00010.0040.104~1080.0003[11]
    β-Ga2O3PLD10~1.20.59/2.40.15/1.6~1030.74[35]
    α-Ga2O3Sputtering100.33860.41/2.040.02/0.35—70.26[36]
    α/β-Ga2O3Sol-gel150.1250.04/0.870.02/1.00~1.7×100.0177[37]
    β-Ga2O3Sputtering100.560.51/3.040.07/0.08—0.028[16]
    β-Ga2O3Sputtering5~0.00490.09/0.800.06/0.53~3.2×1050.00119This work
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出版历程
  • 收稿日期:  2021-09-18
  • 录用日期:  2022-02-11
  • 刊出日期:  2022-02-20

薄膜厚度对射频磁控溅射${\boldsymbol{\beta}}$-Ga2O3薄膜光电性能的影响

    通讯作者: E-mail: m.zhang@live.com; 
    通讯作者: E-mail: wang_chongjie@163.com
    作者简介: 第一作者.E-mail: xiuhuali666@163.com
  • 辽宁师范大学物理与电子技术学院, 大连　116029
  • 收稿日期:  2021-09-18
  • 录用日期:  2022-02-11

摘要: 本文在室温下利用射频磁控溅射技术在(001)蓝宝石衬底上制备了不同厚度的β-Ga2O3薄膜, 随后将其置于氩气气氛中800 ℃退火1 h. 利用XRD, SEM, UV-Vis分光光度计、PL光致发光光谱仪和Keithley 4200-SCS半导体表征系统等考察薄膜厚度对所得氧化镓薄膜相组成、表面形貌、光学性能以及光电探测性能的影响.结果表明, 随着薄膜厚度的增加, 薄膜结晶质量提高, 840 nm薄膜最佳, 1050 nm薄膜结晶质量略有降低. 不同厚度β-Ga2O3薄膜在波长200—300 nm日盲区域内均具有明显的紫外光吸收, 禁带宽度随着薄膜厚度的增加而增加. PL谱中各发光峰峰强随着薄膜厚度的增加而减小, 表明氧空位及其相关缺陷受到抑制. 在β-Ga2O3薄膜基础上制备出日盲紫外光电探测器的探测性能(光暗电流比, 响应度, 探测率, 外量子效率)也随薄膜厚度的增加呈先增后减的趋势. 厚度约为840 nm的β-Ga2O3紫外光电探测器, 在5V偏压下, 表现出极低的暗电流(4.9 × 10–12 A), 以及在波长254 nm (600 μW/cm2) 紫外光照下, 表现出较高的光暗电流比(3.2 × 105), 较短的响应时间0.09/0.80 s (上升时间), 0.06/0.53 s (下降时间), 其响应度、探测率和外量子效率分别为1.19 mA/W, 1.9 × 1011 Jones和0.58%, 且其光电流随光功率密度和偏置电压的增加几乎呈现线性增加, 可以用于制作日盲紫外探测器.

English Abstract

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    1.   引　言

    • 氧化镓具有较宽的禁带宽度(4.9 eV), 较高的临界电场强度(8 MV/cm)和突出的热稳定性、化学稳定性[1], 在日盲紫外光电探测器、各种传感器以及高功率电子器件等领域具有广阔的应用前景. 1952年人们就已发现氧化镓的5种结晶形态, 分别是α, β, γ, δ, ε, 其中物化性质最为稳定的是β-Ga2O3, 其次是ε-Ga2O3, α-Ga2O3[2,3]. β-Ga2O3薄膜在可见光区域(波长400—800 nm)具有较高的光学透过率[4](大于80％), 在深紫外区域(波长200—300 nm)具有优异的光吸收特性, 因此广泛用于制备深紫外区域工作的光电器件[5,6], 是理想的日盲紫外探测器材料.

      目前, 制备氧化镓薄膜的方法很多, 如磁控溅射法、分子束外延、脉冲激光沉积法和金属有机化学气相沉积法等. Han等[7]通过射频磁控溅射技术在室温下熔凝石英上沉积了非晶Ga2O3薄膜, 并制备了高性能的MSM日盲紫外光电探测器, 在0.5 Pa (氩气气压)下制备的Ga2O3紫外探测器, 在240 nm紫外光和25 V偏置电压下, 器件的最大响应度为436.3 A/W. 在1.2 Pa下制备的器件具有较低的暗电流(4.9 nA)和较高的光暗电流比(107314.4). 证明了室温制造的非晶Ga2O3探测器可以在非常嘈杂的环境下快速地检测到微弱的紫外信号. Guo等[8]应用分子束外延技术在蓝宝石衬底上沉积了β-Ga2O3薄膜, 通过优化生长参数后, 得到了(–201)取向的β-Ga2O3薄膜, 紫外-可见光吸收光谱结果显示其具有优异的日盲紫外特性, 带隙宽度达5.02 eV, 并制造了MSM型氧化镓紫外光电探测器, 器件在10 V偏压下、波长为254 nm的光照下, 具有明显的光电响应. Shen等[9]利用脉冲激光沉积技术在蓝宝石衬底上通过改变烧蚀激光发射次数生长出不同厚度的β-Ga2O3薄膜, 发现随着激光发射次数的增加, 薄膜取向逐渐从(–201)变为(–201)/(400), 薄膜质量逐渐改善, 激光发射次数为2000时, 制备的β-Ga2O3紫外光电探测器具有较高的光暗电流比(6.04 × 104)以及较快的响应时间(上升时间: 0.32 ms, 下降时间: 142 ms). Yang等[10]利用脉冲激光沉积法在蓝宝石衬底上制备了Ga2O3薄膜, 并且通过X射线衍射、光学透射率和光谱椭偏法探究了一系列不同厚度和不同生长温度的Ga2O3薄膜的结晶质量, 发现厚度对薄膜的结晶质量的影响程度明显大于生长温度, 且较高的生长温度以及较厚的厚度可以提高薄膜的晶体质量. Zhang等[11]通过脉冲激光沉积法在蓝宝石衬底上制备了不同厚度(90—354 nm)的β-Ga2O3薄膜, 发现随着薄膜厚度的增加, 薄膜的晶粒尺寸和表面粗糙度都增加, 并且基于薄膜制备了一系列的紫外光电探测器, 器件在紫外光照射下具有较低的暗电流(100 fA)和较高的光暗电流比(约108), 光响应时间约达到4 ms. An等[12]通过射频磁控溅射技术在蓝宝石衬底上制备了不同厚度的β-Ga2O3薄膜, XRD结果显示沉积的薄膜取向为(–201). 并利用各种厚度薄膜制备出MSM紫外光电探测器, 发现约200 nm厚的β-Ga2O3薄膜光电探测器具有较低的暗电流(约10–10A)、更快的上升时间(1.0/1.4 s)和下降时间(1.2/1.3 s). 虽然已经有国内外研究者考察了薄膜厚度对氧化镓薄膜的相组成、微观结构和光电性能等方面的影响, 但由于各研究的制备方法不同, 得到的规律和结论也各有不同, 因此仍需要更多深入而系统的研究.

      由于薄膜厚度是影响氧化镓薄膜的结晶质量及其紫外光电探测器件性能的敏感参数, 另一方面, 射频磁控溅射具有生长速度快, 工艺简单, 易于大面积溅射生长的优点. 因此本文利用射频磁控溅射方法在蓝宝石衬底上制备了β-Ga2O3薄膜, 通过控制沉积时间得到不同厚度的β-Ga2O3薄膜, 考察薄膜厚度对氧化镓薄膜的相组成、表面形貌和光学性能的影响. 并在制备的β-Ga2O3薄膜上沉积Pt叉指电极进而制成肖特基结构的光电探测器件, 深入讨论了薄膜厚度对器件的紫外光电探测性能的影响.

    2.   实　验

    • 使用JCP-350M2型高真空多靶磁控溅射镀膜机在(001)蓝宝石衬底上溅射沉积氧化镓薄膜, 靶材为氧化镓陶瓷块体靶材(纯度99.99%). 将沉积室抽至背底真空约1 × 10–4 Pa, 通入高纯氩气(流量为20 sccm (1 sccm = 1 mL/min)). 启动射频溅射电源, 保持工作气压0.5 Pa, 沉积温度为27 ℃, 溅射功率为50 W, 首先预溅射10 min, 以去除氧化镓陶瓷靶材表面的污染物, 然后打开挡板开始沉积, 设置沉积时间分别为10, 20, 30, 40和50 min, 得到溅射好的样品, 再使用高温管式水平加热电阻炉将5种样品在氩气氛围下800 ℃退火1 h.

      利用Panalytical Empyren X射线衍射仪测定所得薄膜的相组成, (测试条件: Cu靶Kα射线, λ = 0.1541 nm, 常规θ–2θ方式, 测试角度范围: 10°—80°). 利用Zeiss Sigma500场发射扫描电子显微镜观察薄膜的表面和断面形貌. 利用UV-4501S UV-Vis分光光度计测试薄膜的吸光系数. 样品的光致发光谱(PL)采用IK Series He-Cd激光器(325 nm) 作为激发光源进行测量, 利用Keithley 4200-SCS半导体表征系统测试所制备光电探测器件的光电性能.

    3.   结果与讨论

      3.1.   薄膜断面与表面形貌

    • 图1(a)为沉积时间40 min所得样品的断面SEM图像, 可以清晰地看到, 所得β-Ga2O3薄膜与蓝宝石衬底结合良好, 并且界面清晰, 利用扫描电镜测得β-Ga2O3薄膜厚度约为840 nm. 通过相同的方法, 测量得到所制备的β-Ga2O3薄膜的厚度, 列于表1.

      图1(b)—(d)为不同厚度β-Ga2O3薄膜的表面形貌图, 可以看出, 不同厚度的薄膜表面均呈颗粒状特征, 根据扫描电镜的成像原理可以知道, 薄膜样品表面图像的衬度差别代表样品表面高低程度的不同, 在厚度约840 nm时, 晶粒尺寸变大(晶粒尺寸具体数据见XRD结果分析), 晶粒也更加清晰, 薄膜的结晶质量逐渐变好, 当薄膜厚度增加到约1050 nm时, 薄膜的表面出现裂纹且颗粒尺寸没有持续增大, 结晶质量变差.

      • 3.2.   XRD

    • 图2为不同厚度β-Ga2O3薄膜的XRD图. 可以看出, 当样品厚度约为210和420 nm时, XRD图谱中除了蓝宝石衬底的衍射峰, 无其他明显的衍射峰, 说明所得氧化镓薄膜呈现非晶特性, 这可能是由于溅射初期氧化镓与蓝宝石衬底晶格常数失配导致的. 当薄膜厚度增大至约630 nm时, 在24.01°出现了明显的衍射峰, 这是对应于β-Ga2O3(012)晶面的衍射峰, 说明此时氧化镓薄膜已结晶为β-Ga2O3相, 结晶质量有所提高. 当厚度继续增加至约840 nm时, (012)晶面衍射峰峰强明显增强的同时, 还在18.94°, 38.39°, 39.12°和59.19°分别出现了明显的β-Ga2O3相(–201), (–402), (–311)和(–603)晶面衍射峰, 说明此条件下所得氧化镓薄膜已经明显结晶为β-Ga2O3相, 晶粒取向以(–201)晶面族为主, 同时存在(–311)和(012)多个晶面随机生长的多晶形式. 当薄膜厚度继续增大至约1050 nm时, 此时氧化镓薄膜的XRD图谱中出现的(–201), (012), (–402), (–311)和(–603)晶面衍射峰峰强比840 nm的有所减弱, 说明氧化镓薄膜结晶质量有所下降, 或者晶粒取向变得更平均. 我们从XRD数据中提取了(–201)晶面族的衍射峰的半高宽, 随着薄膜厚度的增加, 衍射峰(–201)的半高宽由0.763°变为0.812°, (–402)的半高宽由0.081°变为0.095°, (–603)的半高宽由1.102°变为1.215°, 说明了当薄膜厚度从约840 nm增大至约1050 nm时, 约1050 nm厚的薄膜的结晶度要比约840 nm的低, 而(–201)晶面族的半高宽的变化也反映了薄膜晶粒尺寸的变化, 由谢乐公式可知, 半高宽变大则晶粒尺寸变小. 谢乐公式为

      式中, D为晶粒尺寸, K为常数(常取0.89), λ为X射线波长, β为衍射峰半高宽, θ为衍射角. 计算可知, 约840 nm和约1050 nm厚薄膜的(–201)晶面族的平均晶粒尺寸分别为40.47和34.96 nm. 得出约840 nm的薄膜的晶粒尺寸要比约1050 nm的大. 这与SEM观察结果一致. 总之, 所得β-Ga2O3薄膜的结晶质量随着薄膜厚度的增加逐渐改善, 厚度约为840 nm的薄膜结晶度最高, 厚度继续增大至1050 nm后, 结晶度略有下降.

      • 3.3.   光学性能

    • 众所周知, 光吸收的测量对于判定薄膜的吸收系数、光学带隙等光学参数有着非常重要的作用. 图3(a)是在氩气800℃下退火后, 不同厚度β-Ga2O3薄膜的UV-Vis吸收光谱. 可以看到, β-Ga2O3薄膜在波长200—300 nm日盲区域内具有明显的紫外光吸收, 出现了陡峭的光学吸收边[13,14]. 因为β-Ga2O3是典型的直接带隙半导体材料, 光学带隙与吸收系数之间满足以下关系:

      其中, hν是光子能量, B是常量, Eg是光学带隙, α是吸收系数, 计算公式为

      其中, d为薄膜厚度, T为薄膜的透过率. 分别以hν和α2为横纵坐标拟合曲线, 当纵坐标α2的值为0时, 曲线的切线与横轴的截距就是薄膜的禁带宽度值[15,16]. 图3(b)为β-Ga2O3薄膜α2随hν的变化曲线. 在薄膜厚度约210—1050 nm范围内, 所有样品的Eg 都在4.56—4.84 eV之间, 且随着薄膜厚度的增加, 薄膜的禁带宽度几乎呈线性增加, 如图3(c)所示. 薄膜厚度增加会导致晶格应变程度减小, 且使薄膜缺陷减少, 导致禁带宽度增加. 以上现象表明对于波长为254 nm (能量约为4.88 eV)的紫外光照射, 所制备的Ga2O3薄膜都会发生本征吸收, 说明所得β-Ga2O3薄膜可以用来制作紫外光电探测器.

      • 3.4.   光致发光谱

    • 光致发光谱(PL谱)的测试对于探究薄膜厚度对薄膜缺陷的影响具有重要意义. 图4(a)给出了不同厚度的β-Ga2O3薄膜的光致发光光谱. 在波长为325 nm的光源激发下, 所有的β-Ga2O3薄膜都显示出在350—600 nm波长范围内的很宽的紫外-绿光发光峰, 所有的PL谱具有相似的线型, 发光峰的强度随着薄膜厚度的增加而减小. 为探究薄膜的缺陷来源, 对PL谱进行了分峰处理, 图4(b)给出了薄膜厚度约为840 nm的β-Ga2O3薄膜的PL高斯拟合峰, 4个中心约为378, 415, 456和511 nm的高斯拟合峰可以在图4(b)中直观地观察到. 图4(c)—图4(f)分别显示了峰位约在378, 415, 456和511 nm的不同厚度薄膜的PL拟合峰, 我们发现, 不同峰位的峰强都随薄膜厚度的增加而减小. β-Ga2O3的光致发光源自于施主能级与受主能级之间的电子跃迁. 325 nm光源可以将电子从价带激发到导带, 导带中的电子可以自由地移动并最终到达施主能级, 施主能级中的电子与受主能级中的空穴复合产生紫外-绿光[17,18]. 对于未掺杂的β-Ga2O3薄膜, 其在350—600 nm波长范围内的紫外-绿光发光峰大部分归因于氧空位, 镓空位和镓-氧空位对. 本文将中心约为378(3.28 eV), 415(2.99 eV), 456(2.72 eV)和511(2.43 eV) nm的PL峰分别命名为M1, M2, M3和M4. 计算能级差结果如下:

      可以确定, 结果(A)和(B)对应于由氧空位形成的两个施主能级之间的能级差(ΔE1 ≈ 0.56 eV)[19]. 据报道, β-Ga2O3蓝色(440—480 nm)的PL峰来源于氧空位形成的施主能级上的电子与镓空位、镓-氧空位形成的受主能级上的空穴的复合[20,21]. 紫外发光(378 nm)源于跃迁到导带的电子和空穴通过自行捕获机制复合产生紫外光子[22,23]. 随着薄膜厚度的增加, 紫外、紫色、蓝色发光峰都大幅度减弱, 氧空位相关缺陷(VO, VGa–VO)得到抑制. 薄膜厚度增加, 薄膜的杂质和缺陷中心减少, 被施主、受主或其他陷阱中心束缚住的激子辐射复合的概率减少, 由于其PL发光强度与杂质和缺陷中心数量呈正比关系, 因此PL峰随着薄膜厚度的增加而降低.

      • 3.5.   光电探测性能

    • 利用离子溅射仪在制备好的薄膜上溅射一层叉指形状铂层作为电极, 从而形成肖特基接触, 器件结构如图5(a)所示. 用此方法, 基于不同厚度β-Ga2O3薄膜(约210, 420, 630, 840和1050 nm)制备了5个MSM型紫外光电探测器, 分别记为器件A, B, C, D和E. 用于构建光电探测器的未掺杂半导体层通常都会表现出非线性光响应行为, 这种现象可以解释为由带隙中的复合态中心引起的载流子复合, 因此, 探究随着时间的推移紫外灯打开和关闭的光响应就变得尤为重要[24]. 图5(b)给出了器件A—E的I-t图. 在波长254 nm (光功率密度600 μW/cm2)紫外光照射、5 V偏压下, 可以看出5个器件均具有优异的重复性和稳定性(与其他器件相比, A器件具有较低的暗电流(约0.36 pA)以及光电流(约6 pA), 所以在此图中效果不明显). 从图5(b)可以发现, 所有器件都具有极低的暗电流, 光电流随着薄膜厚度的增加呈先增加后减小的趋势, 厚度约为420 nm(B器件)的光电流为11 nA, C器件的光电流增大了1倍, 达22 nA, D器件的光电流继续增大, 至29 nA, E器件的光电流有轻微下降, 至27 nA, 可见薄膜厚度约840 nm(D器件)的光电响应性能最好. 薄膜厚度不断增加, 一定程度上拓宽了耗尽层的宽度, 提高了光吸收效率, 加大了对载流子的收集, 因此随着薄膜厚度的增加, 光电流也呈增加趋势. 在薄膜厚度达到约1050 nm时, 光电流的微小下降可能是因为耗尽层过宽导致暗电流增大, 影响了器件的灵敏度, 导致光电流的突然变小.

      为了分析制备出来的器件的性能, 将不同薄膜厚度的氧化镓紫外光电探测器的光电响应时间整合汇总, 如表2所列. 图5(c)和图5(d) 给出了A, D器件254 nm光照下瞬态响应曲线的局部放大图和双指数弛豫方程拟合曲线, 拟合方程如下:

      其中, I0为稳态电流; A, B为常数; t为时间; τ1和τ2为弛豫时间常数, 上升部分和下降部分的弛豫时间常数分别记为τr和τd, 可以看到弛豫方程拟合曲线与瞬态响应特性曲线拟合度很高. 由表2可以看出, 所有器件整体表现出响应速度快, 器件的上升时间τr 和下降时间τd均随着薄膜厚度的增加呈现减小的趋势, 且下降时间τd达毫秒级别. 由于薄膜制备完成后又进行了退火, 退火使薄膜内部的载流子陷阱变少, 光生载流子主要来源于价带和导带之间的电子跃迁, 而陷阱中心的捕获和释放载流子过程作用较小[8], 因此所有器件的响应速度较快.

      为了进一步探究各器件的光电响应性能, 整理并计算出光暗电流比((IPhoto – IDark)/IDark)、光响应度(Responsivity, R)、探测率[25] (Detectivity, D*)和外量子效率(External Quantum Efficiency, EQE)来对比不同器件的性能好坏[26]. 图6为不同器件的I-V曲线图以及光暗电流对数坐标图. 图6(a)(c)(e)分别为A、D、E器件的I-V曲线, 可以发现在不同光功率密度下, 光电流均随正负偏压逐渐上升. 同时, 在插图中可以发现A, D, E器件的暗电流与电压的关系均呈现非严格的线性关系, 说明薄膜与铂电极界面处存在肖特基势垒, 因此确定A, D, E器件的薄膜与铂电极之间均形成了良好的肖特基接触. 图6(b), 6(d)和6(f)给出了光暗电流对数坐标图, 黑暗条件下, 5 V偏压时, A, D, E器件都具有极低的暗电流, 说明制备的器件具有较高的信噪比, 而在254 nm紫外光照射下, 同偏压条件下, 各器件均有光响应, 随着薄膜厚度的增加, 器件的光暗电流比也随之先增加后减小, 约840 nm厚的β-Ga2O3薄膜制备的D器件的PDCR高达3.2 × 105, 比器件A高出5个数量级, 器件E的PDCR有所下降, 但仍高达2.9 × 105. 高的光暗电流比说明了器件灵敏度较高, 在光电探测器方面具有较大的应用潜能, 可以在嘈杂的背景下, 快速有效地检测到微弱的信号.

      响应度R是衡量光电探测器灵敏度的另一个指标, 被定义为

      其中Ip是光电流, Id是暗电流, Pλ是光功率密度, S是有效光照面积(本实验中S ≈ 0.04 cm2). 响应度与外量子效率(EQE)成正比, EQE是衡量每个入射光子产生电子空穴对数量的量度, 被定义为

      式中, h为普朗克常数, c为光速, q为1.6×10–19C, λ为入射光波长(254 nm). 探测率作为表征探测器探测最小光信号能力的指标, 通常用符号D*表示, 被定义为

      其中, Rλ为响应度, Jd为暗电流密度, q为1.6 × 10–19C[27,28]. 图7(a)所示是不同厚度的β-Ga2O3紫外光电探测器在5 V偏置电压下, 紫外光功率密度为600 μW/cm2的条件下的响应度曲线, 可以看到, 响应度随着薄膜厚度的增加, 先增加后减小. 图7(b)是与图7(a)同等条件下的探测率(D*)曲线与外量子效率(EQE)曲线, 可以看到, D* 与EQE都随薄膜厚度的增加先增加后减小, 与响应度的变化规律几乎一致. D器件的响应度R、探测率D*和外量子效率EQE分别为1.19 mA/W, 1.9 × 1011 Jones和0.58%. 相比之下, D器件的光暗电流比和响应度比较高说明器件的灵敏度比较高, 其高探测率也说明了器件适用于微弱紫外光的探测. 所有器件较低的外量子效率说明了当光子入射到器件表面时, 所能收集到的形成电流的电子较少, 因此在将来实验中可以以此为突破点进行探究, 进一步提高器件收集电子的能力从而提高器件的响应度以及探测率.

      以上初步探明器件D的光电响应性能最佳, 下面对其进行更多的性能测试. 图8(a)为5 V偏压下, 不同光功率密度(波长254 nm)紫外光照下D器件的I-t图, 可以发现, 随着光功率密度的增加, D器件的光电流随之增加, 且光电流随光功率密度的增加几乎呈线性增加(如图8(c)), 表明给予器件更大的光功率密度的照射, 会产生更多的电子和空穴, 从而可以获得更大的光电流[29-32]. 图8(b)为在波长为254 nm (600 μW/cm2)的紫外光照射下, 器件在不同偏置电压下的I-t图, 随着电压的增大, 光电流随之增大, 且光电流随外加电压的增加(1—5 V)几乎呈现线性增加, 如图8(d)所示, 表明更大的电压可以提供更多的漂移能量, 用于将电子从半导体层驱动到电极, 也同样可以获得更大的光电流. 光电流随光功率密度以及外加电压变化的规律也说明了本文制备的器件可以在线性动态区域内工作, 并且具有可量化的特点[29-31]. 为了评估本工作中制备出的紫外光电探测器的性能, 表3对比了国内外各类Ga2O3薄膜紫外光电探测器的主要性能指标. 相比之下, 本工作中的日盲紫外光电探测器的暗电流、响应时间、光暗电流比、响应度等性能指标均居中上水平. 因此, 通过改变薄膜厚度来实现更快响应的紫外光电探测器也是一种非常有效的途径.

    4.   结　论

    • 本文利用射频磁控溅射技术在蓝宝石衬底上制备了β-Ga2O3薄膜, 随着薄膜厚度的增加, 薄膜结晶质量提高, 约840 nm厚度的氧化镓薄膜的结晶质量最好, 厚度继续增大至约1050 nm时, 薄膜结晶质量略有降低. 不同厚度的β-Ga2O3薄膜在波长200—300 nm日盲区域内均具有明显的紫外光吸收, 出现了陡峭的光学吸收边, 随着薄膜厚度的增加, 薄膜的禁带宽度也随之增加. 不同厚度的β-Ga2O3薄膜PL谱均显示出在350—600 nm波长范围内有很宽的紫外-绿光发光峰, 且各发光峰的峰强随着薄膜厚度的增加而减小. 器件的光电探测性能(光暗电流比、响应度、探测率、外量子效率)随薄膜厚度的增加呈先增后减的趋势. 其中薄膜厚度约为840 nm的β-Ga2O3薄膜制备出的紫外光电探测器, 在5 V偏压下, 表现出极低的暗电流(4.9×10–12 A), 以及在波长254 nm (600 μW/cm2)紫外光照下, 表现出较高的光暗电流比(3.2×105), 较短的响应时间(上升时间和下降时间分别为0.09/0.80和0.06/0.53 s), 其响应度R、探测率D *和外量子效率EQE分别为1.19 mA/W, 1.9 × 1011 Jones和0.58%, 且其光电流随光功率密度和偏置电压的增加几乎呈线性增加, 因此用本文方法得到的约840 nm厚度的β-Ga2O3薄膜制备的探测器具有较高的灵敏度和紫外探测效率, 可用于制备日盲紫外探测器.

    参考文献 (37)

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