劉 浩,鄧 宏*,韋 敏,于永斌,陳文宇
(1.電子科技大學(xué)電子薄膜與集成器件國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川成都 610054;
2.電子科技大學(xué)信息與軟件工程學(xué)院,四川成都 610054;
3.電子科技大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院,四川成都 610054)
氧化鎵薄膜的制備及其日盲紫外探測(cè)性能研究
劉 浩1,鄧 宏1*,韋 敏1,于永斌2,陳文宇3
(1.電子科技大學(xué)電子薄膜與集成器件國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川成都 610054;
2.電子科技大學(xué)信息與軟件工程學(xué)院,四川成都 610054;
3.電子科技大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院,四川成都 610054)
采用射頻磁控濺射方法在藍(lán)寶石單晶襯底上沉積氧化鎵(Ga2O3)薄膜,并通過(guò)光刻剝離工藝(Lift-off)制備了金屬-半導(dǎo)體-金屬結(jié)構(gòu)的Ga2O3日盲紫外探測(cè)器。對(duì)不同溫度下沉積的Ga2O3薄膜分析表明,在800℃下獲得的薄膜結(jié)晶質(zhì)量最好,薄膜的導(dǎo)電性則隨著沉積溫度的上升先增大后減小。在800℃制備的β-Ga2O3薄膜的可見(jiàn)光透光率大于90%,光學(xué)吸收邊在255 nm附近。在10 V偏壓下,探測(cè)器的暗電流約為1 nA,光電流達(dá)800 nA,對(duì)紫外光響應(yīng)迅速。器件的響應(yīng)度達(dá)到0.3 A/W,260 nm波長(zhǎng)處的響應(yīng)度是290 nm波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)響應(yīng)度的40倍,可實(shí)現(xiàn)日盲紫外波段的探測(cè)。
β-Ga2O3;射頻磁控濺射;紫外探測(cè)
β-Ga2O3作為一種直接帶隙氧化物半導(dǎo)體材料,室溫下禁帶寬度約為4.9 eV,對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)為250 nm,恰好處在日盲(200~280 nm)紫外波段[1],在宇宙探索、導(dǎo)彈追蹤、火焰預(yù)警等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。目前,主要用于日盲探測(cè)的材料有Al-GaN、ZnMgO、金剛石、β-Ga2O3等。AlGaN要實(shí)現(xiàn)日盲探測(cè),需要較高的Al組分,但是很難制備高Al且質(zhì)量很高的薄膜[2]。纖鋅礦結(jié)構(gòu)的ZnMgO也面臨同樣的問(wèn)題,摻Mg含量過(guò)高時(shí)無(wú)法保證晶格完好[3]。金剛石由于禁帶寬度過(guò)大(~5.45 eV),不能實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)日盲波段的探測(cè)且價(jià)格昂貴。Ga2O3作為一種二元氧化物材料,完美的單晶較容易獲得,制備方法簡(jiǎn)單,物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定,禁帶寬度為4.7~4.9 eV,被認(rèn)為是制備日盲光電探測(cè)器最為理想的材料之一。近年來(lái),無(wú)論是Ga2O3單晶,還是Ga2O3薄膜和納米線,都有用于日盲紫外探測(cè)器的報(bào)道[4-5]。目前而言,利用β-Ga2O3薄膜制備探測(cè)器在實(shí)際應(yīng)用方面更具潛力和價(jià)值。
β-Ga2O3薄膜的制備方法有很多,如分子束外延(MBE)[1]、溶膠-凝膠法(Sol-gel)[6]、磁控濺射[7-8]、脈沖激光沉積(PLD)[9]、金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積(MOCVD)[10]等。由于射頻磁控濺射具有生長(zhǎng)速度快、工藝重復(fù)性好、可大面積生長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn),故本文采用射頻磁控濺射方法沉積薄膜。為了獲得高結(jié)晶質(zhì)量的β-Ga2O3薄膜,實(shí)驗(yàn)以藍(lán)寶石(0001)單晶為襯底,在不同溫度下沉積Ga2O3薄膜,研究沉積溫度對(duì)薄膜結(jié)晶質(zhì)量和光電性能的影響,并在此基礎(chǔ)上制備了MSM結(jié)構(gòu)的日盲紫外光電器件。
2.1 儀器與方法
實(shí)驗(yàn)用(0001)藍(lán)寶石作為制備Ga2O3薄膜的基片,將封裝于1000級(jí)包裝內(nèi)的5 mm×5 mm× 0.5 mm基片取出,依次用丙酮、無(wú)水乙醇和去離子水超聲清洗10 min后,氮?dú)獯蹈?。采用純度?9.999%的氧化鎵陶瓷靶,在不同襯底溫度下,通過(guò)射頻磁控濺射沉積厚度約為200 nm的Ga2O3薄膜。沉積過(guò)程中,工作壓強(qiáng)為0.6 Pa,濺射沉積時(shí)間為2 h。沉積結(jié)束后,樣品在腔體中原位退火30 min。采用Lift-off工藝和電子束蒸發(fā),在薄膜上蒸鍍Ti/Au叉指電極,厚度為250 nm,叉指寬度為0.05 mm,長(zhǎng)度為3 mm,間距為0.1 mm,器件有效感光面積為12.5 mm2。為了減少界面接觸電阻,形成良好的歐姆接觸,將樣品在500℃保溫10 min。
2.2 材料表征
采用英國(guó)Bede公司生產(chǎn)的D1型XRD(Cu Kα射線,λ=0.154 06 nm)對(duì)薄膜結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征;采用美國(guó) Perkin-Elmer公司的 Lambda 750UV/ VIS/NIR紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)對(duì)薄膜的光學(xué)特性進(jìn)行測(cè)量;采用光強(qiáng)13×10-6W/cm2的汞燈(波長(zhǎng)254 nm)和安捷倫4155B半導(dǎo)體參數(shù)分析儀對(duì)薄膜紫外光電性能進(jìn)行測(cè)試;采用DSR-100紫外光響應(yīng)測(cè)試系統(tǒng)對(duì)器件紫外光響應(yīng)度進(jìn)行測(cè)試。
3.1 XRD結(jié)果分析
圖1為不同襯底溫度下制備的Ga2O3薄膜的XRD圖。襯底溫度為500℃的樣品沒(méi)有出現(xiàn)與氧化鎵對(duì)應(yīng)的衍射峰,表明低溫沉積時(shí),被Ar離子轟擊的靶材原子在到達(dá)基片后,沒(méi)有得到足夠的表面遷移能量,島狀生長(zhǎng)形成非晶相。溫度增加到700℃后,樣品的XRD譜中分別在18.95°、38.40°、59.19°處出現(xiàn)衍射峰,對(duì)應(yīng)于β-Ga2O3的晶面,同屬一個(gè)晶面組,與Ga2O3的標(biāo)準(zhǔn)卡片JCPDS No.43-1012基本符合,表現(xiàn)出明顯的擇優(yōu)取向。隨著襯底溫度的上升,這一晶面組的衍射峰強(qiáng)度逐漸增大,這與Oshima等的研究結(jié)果一致[1]。針對(duì)衍射峰研究發(fā)現(xiàn),其半高寬(FHWM)先由700℃時(shí)的0.165°減小到800℃時(shí)的0.095°,又逐漸增大到1 000℃時(shí)的0.110°。晶粒尺寸可根據(jù)公式(1)計(jì)算得到:
式中D、λ、β、θ分別為晶粒尺寸、X射線入射波長(zhǎng)(λ=0.154 06 nm)、FHWM和布拉格衍射角,計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。當(dāng)襯底溫度增加到1 000℃時(shí),在衍射峰 FHWM增大的同時(shí),在30.05°、 57.64°和60.54°分別出現(xiàn)晶面衍射峰。這說(shuō)明溫度過(guò)高時(shí),晶體的擇優(yōu)取向減弱,晶格的有序性降低,Ga2O3開(kāi)始沿著不同的取向生長(zhǎng)。
圖1 不同襯底溫度下沉積的Ga2O3薄膜的XRD圖Fig.1 XRD patterns of Ga2O3thin films deposited at various temperatures
表1 不同襯底溫度下制備的Ga2O3的β(402)衍射峰半高寬和晶粒尺寸Table 1FHWMand grain size of Ga2O3thin filmsdeposited at various temperatures
表1 不同襯底溫度下制備的Ga2O3的β(402)衍射峰半高寬和晶粒尺寸Table 1FHWMand grain size of Ga2O3thin filmsdeposited at various temperatures
Temperature/℃ FHWM/(°) Grain size/nm 500 - -700 0.165 53.9 800 0.095 88.6 900 0.102 82.5 1 000 0.110 74.5
3.2 透射光譜分析
圖2為不同襯底溫度下制備的Ga2O3薄膜的紫外-可見(jiàn)透射光譜。500~900℃下沉積的薄膜在可見(jiàn)光部分的光透過(guò)率均大于80%,且在240~300 nm之間出現(xiàn)了陡峭的光學(xué)吸收邊,與Ga2O3晶體的禁帶寬度相對(duì)應(yīng)。500℃下制備的樣品的光學(xué)吸收邊出現(xiàn)在280 nm,透射光譜在330 nm出現(xiàn)的吸收峰對(duì)應(yīng)于氧空位能級(jí),表明薄膜內(nèi)部空位缺陷較多,結(jié)晶質(zhì)量差[11]。當(dāng)溫度升高到700℃后,薄膜的光譜曲線則比較平滑,可見(jiàn)光透過(guò)率在90%以上,光學(xué)吸收邊向短波長(zhǎng)方向移動(dòng),薄膜結(jié)晶質(zhì)量變好,這與XRD的分析結(jié)果是一致的。襯底溫度達(dá)到1 000℃時(shí),薄膜吸收邊出現(xiàn)在235 nm,發(fā)生非常明顯的藍(lán)移。許多研究者認(rèn)為這是由于高溫沉積,藍(lán)寶石基片與Ga2O3薄膜發(fā)生反應(yīng),半徑更小的Al離子在Ga2O3內(nèi)部產(chǎn)生擴(kuò)散,與Ga原子發(fā)生替位,使晶格常數(shù)減小,導(dǎo)致禁帶寬度展寬[4,12]。圖3是Ga2O3薄膜的(αhv)2隨光子能量hv變化的曲線。Ga2O3作為直接帶隙半導(dǎo)體材料[13-15],滿足以下方程
(αhv)2=B(hv-Eg), (2)其中,α是吸收系數(shù),hv是光子能量,Eg是光學(xué)帶隙。以hv為橫坐標(biāo),(αhv)2為縱坐標(biāo),作(αhv)2隨hv變化的曲線,曲線的切線與橫軸的交點(diǎn)即薄膜材料的禁帶寬度Eg。可以看出,隨著襯底溫度的升高,Ga2O3的光學(xué)禁帶寬度變寬。
圖2 不同襯底溫度下制備的Ga2O3薄膜的紫外-可見(jiàn)透射光譜Fig.2 Transmittance spectra of Ga2O3thin films deposited at various temperatures
圖3 Ga2O3薄膜的(αhv)2隨光子能量hv變化的曲線Fig.3 (αhv)2vs.photon energy hv of Ga2O3thin films deposited at various temperatures
3.3 電性能分析
利用四探針?lè)y(cè)量薄膜的電阻率,得到電阻率隨襯底溫度變化的曲線,如圖4所示。當(dāng)襯底溫度為500℃時(shí),薄膜的電阻率太大,無(wú)法測(cè)量。襯底溫度高于700℃后,電阻率迅速下降。800℃沉積的薄膜電阻率最低,約為347Ω·cm。電阻率的變化與薄膜的結(jié)晶狀況密不可分。當(dāng)襯底溫度較低時(shí),被氬離子轟擊的靶原子到達(dá)基片后不能得到足夠高的能量做表面遷移,致使薄膜以島狀生長(zhǎng)為主,內(nèi)部存在大量缺陷,阻礙載流子的遷移,所以電阻率很大。溫度高于700℃后,靶原子在自身能量和基片對(duì)應(yīng)的能量作用下,有足夠的能量在基片表面擴(kuò)散遷移,晶粒合并長(zhǎng)大,由島狀生長(zhǎng)轉(zhuǎn)變成層狀生長(zhǎng),Ga2O3由非晶相轉(zhuǎn)變?yōu)棣孪?。故襯底溫度升高后,結(jié)晶質(zhì)量提高,內(nèi)部缺陷減少,晶粒逐漸變大,晶界散射作用減少。這是導(dǎo)致電阻率明顯下降的主要原因[16-18],與XRD的分析結(jié)果一致。
圖4 Ga2O3薄膜電阻率隨沉積溫度變化的曲線Fig.4 Resistivity as a function of deposition temperature
3.4 紫外光電響應(yīng)性能研究
采用Lift-off工藝和電子束蒸發(fā)在薄膜表面制作Ti/Au叉指電極,制備基于Ga2O3薄膜的MSM結(jié)構(gòu)紫外光電探測(cè)器(圖5插圖)。在無(wú)光照、405 nm和254 nm波長(zhǎng)光照下分別測(cè)得薄膜探測(cè)器的I-V特性曲線,如圖5所示??梢悦黠@地發(fā)現(xiàn),電流隨電壓呈線性變化,說(shuō)明Ga2O3薄膜與Ti/Au電極之間形成了良好的歐姆接觸。黑暗條件下和405 nm光照下的I-V曲線基本重合,10 V偏壓下的電流約為1 nA,薄膜對(duì)可見(jiàn)光基本沒(méi)有表現(xiàn)出敏感特性。而在254 nm紫外光照射下,同樣偏壓下的光電流達(dá)到了800 nA,光暗電流比接近3個(gè)數(shù)量級(jí)。圖6為Ga2O3薄膜MSM結(jié)構(gòu)探測(cè)器的紫外響應(yīng)度曲線。探測(cè)器的響應(yīng)波長(zhǎng)處在日盲紫外區(qū)域,10 V偏壓下的探測(cè)器的最大響應(yīng)度為0.3 A/W,出現(xiàn)在260 nm,是290 nm波長(zhǎng)處響應(yīng)度的40倍。可見(jiàn)探測(cè)器對(duì)波長(zhǎng)大于290 nm的波段基本沒(méi)有響應(yīng),具有良好的紫外選擇性,有效地避免了非日盲紫外波段對(duì)探測(cè)器性能的干擾。這應(yīng)當(dāng)歸因于β-Ga2O3的寬禁帶特性,結(jié)果與圖2中的透射光譜相吻合。
圖5 薄膜探測(cè)器在無(wú)光、405 nm和254 nm光照下的I-V特性曲線。Fig.5 I-V characteristics ofβ-Ga2O3thin film MSM photodetectors in dark,under 405 nm and 254 nm light, respectively.The inset is the structure of MSM photodetectors.
圖6 β-Ga2O3薄膜MSM器件的紫外響應(yīng)度曲線Fig.6 Photo responsivity ofβ-Ga2O3thin film MSM photodetectors
圖7 254 nm光照開(kāi)關(guān)響應(yīng)時(shí)間曲線。(a)5次光開(kāi)關(guān)的響應(yīng)時(shí)間曲線;(b)1次光開(kāi)關(guān)的響應(yīng)時(shí)間曲線放大圖。Fig.7 Time-dependent photoresponse of MSM photodetectors under 254 nm illumination.(a)Response curve for five times light on/off switch.(b)Enlarge view of the rise/decay edge for one time light on/off switch.
圖7(a)是Ga2O3薄膜探測(cè)器在254 nm汞燈照射下的10 V偏壓下的響應(yīng)時(shí)間曲線。汞燈每隔10 s開(kāi)/關(guān)一次,經(jīng)過(guò)多個(gè)循環(huán)開(kāi)關(guān)之后,依然表現(xiàn)出穩(wěn)定的光電特性。暗電流保持在1 nA左右,飽和光電流約為800 nA。圖7(b)為圖7(a)的局部放大圖,可以看出,汞燈開(kāi)啟,薄膜電流的上升時(shí)間約為1 s;汞燈關(guān)閉,電流迅速降到1 nA左右,時(shí)間僅為0.08 s。這是由于800℃襯底溫度下沉積的薄膜內(nèi)部的載流子陷阱較少,光生載流子主要來(lái)源于價(jià)帶與導(dǎo)帶之間的電子躍遷,而陷阱中心“捕獲”和“釋放”載流子的這個(gè)緩慢過(guò)程作用較小[15],所以器件的響應(yīng)速度較快,并且抑制了持續(xù)光電導(dǎo)現(xiàn)象。從圖7可見(jiàn),光電流上升達(dá)到飽和的時(shí)間較長(zhǎng),下降時(shí)間明顯小于上升時(shí)間(汞燈光源開(kāi)啟時(shí)間約為0.15 ms)。
采用射頻磁控濺射方法在藍(lán)寶石基片上沉積Ga2O3薄膜,在襯底溫度達(dá)到700℃后,薄膜由非晶相轉(zhuǎn)化為以 β-Ga2O3為主的多晶結(jié)構(gòu),沿晶面組擇優(yōu)生長(zhǎng)。隨著襯底溫度的升高,晶粒變大,從而晶界數(shù)量減少,電阻率下降。同時(shí),光學(xué)禁帶隨著襯底溫度的上升而增大,光學(xué)吸收邊發(fā)生藍(lán)移,800℃時(shí)在255 nm處出現(xiàn)陡峭的光學(xué)吸收邊,可見(jiàn)光透過(guò)率在90%以上。基于以上薄膜制備的紫外探測(cè)器在10 V偏壓下,暗電流約為1 nA,光電流達(dá)800 nA。最大響應(yīng)度為0.3 A/W(260 nm),是290 nm波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)響應(yīng)度的40倍。對(duì)254 nm紫外汞燈開(kāi)關(guān)的響應(yīng)時(shí)間分別為1 s(上升)和0.08 s(下降),可實(shí)現(xiàn)日盲紫外波段的探測(cè)。
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劉浩(1990-),男,河北保定人,碩士研究生,2013年于河北工業(yè)大學(xué)獲得學(xué)士學(xué)位,主要從事Ga2O3薄膜材料的研究。
E-mail:haoliu929@163.com
鄧宏(1963-),男,四川江油人,教授,博士生導(dǎo)師,1986年于電子科技大學(xué)獲得碩士學(xué)位,主要從事ZnO材料及器件的研究。
E-mail:hdeng@uestc.edu.cn
Preparation and Ultraviolet Detection Performance of Ga2O3Thin Film s
LIU Hao1,DENG Hong1*,WEIMin1,YU Yong-bin2,CHENWen-yu3
(1.State Key Laboratory ofElectronic Thin Films and Integrated Devices, University ofElectronic Science and Technology ofChina,Chengdu 610054,China; 2.School of Information and Software Engineering,University ofElectronic Science and Technology ofChina,Chengdu 610054,China; 3.School ofComputer Science and Engineering,University of Electronic Science and Technology ofChina,Chengdu 610054,China)
*Corresponding Author,E-mail:hdeng@uestc.edu.cn
Gallium oxide(Ga2O3)thin filmswere depsited by radio frequencymagnetron sputtering on sapphire(0001)substrateswith a range of substrate temperatures from 500 to 1 000℃.The norphological characteristics,optical bandgaps,electrical properties and photoresponsivity of the grown thin filmswere researched.With the increasing of the growth temperature,the crystallinity and conductivity of the films increase at first and then decrease slightly.Ultraviolet-visible spectra indicate that the transmittance ofβ-Ga2O3film depsited on 800℃ is over than 90%,and it's absorption edge is located at about255 nm,meaning that the optical bandgap was about 4.8 eV.Themetalsemiconductor-metal photodetector based onβ-Ga2O3film shows dark current of~1 nA and photocurrent of~800 nA under 254 nm light illumination at10 bias voltage.Themaximum responsivity of the photodetector is 0.3 A/W at260 nm,40 times asmuch as the responsivity at290 nm.
β-Ga2O3;RFmagnetron sputtering;UV detector
O484.4
:A
10.3788/fgxb20153608.0906
1000-7032(2015)08-0906-06
2015-05-28;
:2015-07-29
中央高校基金(ZYGX2013J041);電子薄膜與集成器件國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室創(chuàng)新基金(KFJJ201303)資助項(xiàng)目