薄膜厚度對(duì)射頻磁控濺射 β-Ga2O3 薄膜光電性能的影響*

李秀華 張敏 楊佳 邢爽 高悅 李亞澤 李思雨 王崇杰

(遼寧師范大學(xué)物理與電子技術(shù)學(xué)院，大連 116029)

本文在室溫下利用射頻磁控濺射技術(shù)在(001)藍(lán)寶石襯底上制備了不同厚度的β-Ga2O3 薄膜，隨后將其置于氬氣氣氛中800 ℃退火1 h.利用XRD，SEM，UV-Vis 分光光度計(jì)、PL 光致發(fā)光光譜儀和Keithley 4200-SCS半導(dǎo)體表征系統(tǒng)等考察薄膜厚度對(duì)所得氧化鎵薄膜相組成、表面形貌、光學(xué)性能以及光電探測(cè)性能的影響.結(jié)果表明，隨著薄膜厚度的增加，薄膜結(jié)晶質(zhì)量提高，840 nm 薄膜最佳，1050 nm 薄膜結(jié)晶質(zhì)量略有降低.不同厚度β-Ga2O3 薄膜在波長(zhǎng)200—300 nm 日盲區(qū)域內(nèi)均具有明顯的紫外光吸收，禁帶寬度隨著薄膜厚度的增加而增加.PL 譜中各發(fā)光峰峰強(qiáng)隨著薄膜厚度的增加而減小，表明氧空位及其相關(guān)缺陷受到抑制.在β-Ga2O3 薄膜基礎(chǔ)上制備出日盲紫外光電探測(cè)器的探測(cè)性能(光暗電流比，響應(yīng)度，探測(cè)率，外量子效率)也隨薄膜厚度的增加呈先增后減的趨勢(shì).厚度約為840 nm 的β-Ga2O3 紫外光電探測(cè)器，在5V 偏壓下，表現(xiàn)出極低的暗電流(4.9×10—12 A)，以及在波長(zhǎng)254 nm (600 μW/cm2) 紫外光照下，表現(xiàn)出較高的光暗電流比(3.2×105)，較短的響應(yīng)時(shí)間0.09/0.80 s (上升時(shí)間)，0.06/0.53 s (下降時(shí)間)，其響應(yīng)度、探測(cè)率和外量子效率分別為1.19 mA/W，1.9×1011 Jones 和0.58%，且其光電流隨光功率密度和偏置電壓的增加幾乎呈現(xiàn)線性增加，可以用于制作日盲紫外探測(cè)器.

1 引言

氧化鎵具有較寬的禁帶寬度(4.9 eV)，較高的臨界電場(chǎng)強(qiáng)度(8 MV/cm)和突出的熱穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性[1]，在日盲紫外光電探測(cè)器、各種傳感器以及高功率電子器件等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景.1952 年人們就已發(fā)現(xiàn)氧化鎵的5 種結(jié)晶形態(tài)，分別是α，β，γ，δ，ε，其中物化性質(zhì)最為穩(wěn)定的是β-Ga2O3，其次是ε-Ga2O3，α-Ga2O3[2，3].β-Ga2O3薄膜在可見(jiàn)光區(qū)域(波長(zhǎng)400—800 nm)具有較高的光學(xué)透過(guò)率[4](大于80%)，在深紫外區(qū)域(波長(zhǎng)200—300 nm)具有優(yōu)異的光吸收特性，因此廣泛用于制備深紫外區(qū)域工作的光電器件[5，6]，是理想的日盲紫外探測(cè)器材料.

目前，制備氧化鎵薄膜的方法很多，如磁控濺射法、分子束外延、脈沖激光沉積法和金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積法等.Han 等[7]通過(guò)射頻磁控濺射技術(shù)在室溫下熔凝石英上沉積了非晶Ga2O3薄膜，并制備了高性能的MSM 日盲紫外光電探測(cè)器，在0.5 Pa (氬氣氣壓)下制備的Ga2O3紫外探測(cè)器，在240 nm 紫外光和25 V 偏置電壓下，器件的最大響應(yīng)度為436.3 A/W.在1.2 Pa 下制備的器件具有較低的暗電流(4.9 nA)和較高的光暗電流比(107314.4).證明了室溫制造的非晶Ga2O3探測(cè)器可以在非常嘈雜的環(huán)境下快速地檢測(cè)到微弱的紫外信號(hào).Guo 等[8]應(yīng)用分子束外延技術(shù)在藍(lán)寶石襯底上沉積了β-Ga2O3薄膜，通過(guò)優(yōu)化生長(zhǎng)參數(shù)后，得到了(—201)取向的β-Ga2O3薄膜，紫外-可見(jiàn)光吸收光譜結(jié)果顯示其具有優(yōu)異的日盲紫外特性，帶隙寬度達(dá)5.02 eV，并制造了MSM 型氧化鎵紫外光電探測(cè)器，器件在10 V 偏壓下、波長(zhǎng)為254 nm的光照下，具有明顯的光電響應(yīng).Shen 等[9]利用脈沖激光沉積技術(shù)在藍(lán)寶石襯底上通過(guò)改變燒蝕激光發(fā)射次數(shù)生長(zhǎng)出不同厚度的β-Ga2O3薄膜，發(fā)現(xiàn)隨著激光發(fā)射次數(shù)的增加，薄膜取向逐漸從(—201)變?yōu)?—201)/(400)，薄膜質(zhì)量逐漸改善，激光發(fā)射次數(shù)為2000 時(shí)，制備的β-Ga2O3紫外光電探測(cè)器具有較高的光暗電流比(6.04×104)以及較快的響應(yīng)時(shí)間(上升時(shí)間:0.32 ms，下降時(shí)間:142 ms).Yang 等[10]利用脈沖激光沉積法在藍(lán)寶石襯底上制備了Ga2O3薄膜，并且通過(guò)X 射線衍射、光學(xué)透射率和光譜橢偏法探究了一系列不同厚度和不同生長(zhǎng)溫度的Ga2O3薄膜的結(jié)晶質(zhì)量，發(fā)現(xiàn)厚度對(duì)薄膜的結(jié)晶質(zhì)量的影響程度明顯大于生長(zhǎng)溫度，且較高的生長(zhǎng)溫度以及較厚的厚度可以提高薄膜的晶體質(zhì)量.Zhang 等[11]通過(guò)脈沖激光沉積法在藍(lán)寶石襯底上制備了不同厚度(90—354 nm)的β-Ga2O3薄膜，發(fā)現(xiàn)隨著薄膜厚度的增加，薄膜的晶粒尺寸和表面粗糙度都增加，并且基于薄膜制備了一系列的紫外光電探測(cè)器，器件在紫外光照射下具有較低的暗電流(100 fA)和較高的光暗電流比(約108)，光響應(yīng)時(shí)間約達(dá)到4 ms.An 等[12]通過(guò)射頻磁控濺射技術(shù)在藍(lán)寶石襯底上制備了不同厚度的β-Ga2O3薄膜，XRD 結(jié)果顯示沉積的薄膜取向?yàn)?—201).并利用各種厚度薄膜制備出MSM 紫外光電探測(cè)器，發(fā)現(xiàn)約200 nm 厚的β-Ga2O3薄膜光電探測(cè)器具有較低的暗電流(約10—10A)、更快的上升時(shí)間(1.0/1.4 s)和下降時(shí)間(1.2/1.3 s).雖然已經(jīng)有國(guó)內(nèi)外研究者考察了薄膜厚度對(duì)氧化鎵薄膜的相組成、微觀結(jié)構(gòu)和光電性能等方面的影響，但由于各研究的制備方法不同，得到的規(guī)律和結(jié)論也各有不同，因此仍需要更多深入而系統(tǒng)的研究.

由于薄膜厚度是影響氧化鎵薄膜的結(jié)晶質(zhì)量及其紫外光電探測(cè)器件性能的敏感參數(shù)，另一方面，射頻磁控濺射具有生長(zhǎng)速度快，工藝簡(jiǎn)單，易于大面積濺射生長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn).因此本文利用射頻磁控濺射方法在藍(lán)寶石襯底上制備了β-Ga2O3薄膜，通過(guò)控制沉積時(shí)間得到不同厚度的β-Ga2O3薄膜，考察薄膜厚度對(duì)氧化鎵薄膜的相組成、表面形貌和光學(xué)性能的影響.并在制備的β-Ga2O3薄膜上沉積Pt 叉指電極進(jìn)而制成肖特基結(jié)構(gòu)的光電探測(cè)器件，深入討論了薄膜厚度對(duì)器件的紫外光電探測(cè)性能的影響.

2 實(shí) 驗(yàn)

使用JCP-350M2 型高真空多靶磁控濺射鍍膜機(jī)在(001)藍(lán)寶石襯底上濺射沉積氧化鎵薄膜，靶材為氧化鎵陶瓷塊體靶材(純度99.99%).將沉積室抽至背底真空約1×10—4Pa，通入高純氬氣(流量為20 sccm (1 sccm=1 mL/min)).啟動(dòng)射頻濺射電源，保持工作氣壓0.5 Pa，沉積溫度為27 ℃，濺射功率為50 W，首先預(yù)濺射10 min，以去除氧化鎵陶瓷靶材表面的污染物，然后打開(kāi)擋板開(kāi)始沉積，設(shè)置沉積時(shí)間分別為10，20，30，40 和50 min，得到濺射好的樣品，再使用高溫管式水平加熱電阻爐將5 種樣品在氬氣氛圍下800 ℃退火1 h.

利用Panalytical Empyren X 射線衍射儀測(cè)定所得薄膜的相組成，(測(cè)試條件:Cu 靶Kα射線，λ=0.1541 nm，常規(guī)θ—2θ方式，測(cè)試角度范圍:10°—80°).利用Zeiss Sigma500 場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡觀察薄膜的表面和斷面形貌.利用UV-4501S UV-Vis 分光光度計(jì)測(cè)試薄膜的吸光系數(shù).樣品的光致發(fā)光譜(PL)采用IK Series He-Cd 激光器(325 nm)作為激發(fā)光源進(jìn)行測(cè)量，利用Keithley 4200-SCS半導(dǎo)體表征系統(tǒng)測(cè)試所制備光電探測(cè)器件的光電性能.

3 結(jié)果與討論

3.1 薄膜斷面與表面形貌

圖1(a)為沉積時(shí)間40 min 所得樣品的斷面SEM 圖像，可以清晰地看到，所得β-Ga2O3薄膜與藍(lán)寶石襯底結(jié)合良好，并且界面清晰，利用掃描電鏡測(cè)得β-Ga2O3薄膜厚度約為840 nm.通過(guò)相同的方法，測(cè)量得到所制備的β-Ga2O3薄膜的厚度，列于表1.

圖1 β-Ga2O3 薄膜的SEM 圖像 (a)斷面;(b)—(d)表面形貌Fig.1.SEM images of the β-Ga2O3 films:(a) Cross-section;(b)—(d) morphology and surface morphology.

圖1(b)—(d)為不同厚度β-Ga2O3薄膜的表面形貌圖，可以看出，不同厚度的薄膜表面均呈顆粒狀特征，根據(jù)掃描電鏡的成像原理可以知道，薄膜樣品表面圖像的襯度差別代表樣品表面高低程度的不同，在厚度約840 nm 時(shí)，晶粒尺寸變大(晶粒尺寸具體數(shù)據(jù)見(jiàn)XRD 結(jié)果分析)，晶粒也更加清晰，薄膜的結(jié)晶質(zhì)量逐漸變好，當(dāng)薄膜厚度增加到約1050 nm 時(shí)，薄膜的表面出現(xiàn)裂紋且顆粒尺寸沒(méi)有持續(xù)增大，結(jié)晶質(zhì)量變差.

3.2 XRD

圖2 為不同厚度β-Ga2O3薄膜的XRD 圖.可以看出，當(dāng)樣品厚度約為210 和420 nm 時(shí)，XRD圖譜中除了藍(lán)寶石襯底的衍射峰，無(wú)其他明顯的衍射峰，說(shuō)明所得氧化鎵薄膜呈現(xiàn)非晶特性，這可能是由于濺射初期氧化鎵與藍(lán)寶石襯底晶格常數(shù)失配導(dǎo)致的.當(dāng)薄膜厚度增大至約630 nm 時(shí)，在24.01°出現(xiàn)了明顯的衍射峰，這是對(duì)應(yīng)于β-Ga2O3(012)晶面的衍射峰，說(shuō)明此時(shí)氧化鎵薄膜已結(jié)晶為β-Ga2O3相，結(jié)晶質(zhì)量有所提高.當(dāng)厚度繼續(xù)增加至約840 nm 時(shí)，(012)晶面衍射峰峰強(qiáng)明顯增強(qiáng)的同時(shí)，還在18.94°，38.39°，39.12°和59.19°分別出現(xiàn)了明顯的β-Ga2O3相(—201)，(—402)，(—311)和(—603)晶面衍射峰，說(shuō)明此條件下所得氧化鎵薄膜已經(jīng)明顯結(jié)晶為β-Ga2O3相，晶粒取向以(—201)晶面族為主，同時(shí)存在(—311)和(012)多個(gè)晶面隨機(jī)生長(zhǎng)的多晶形式.當(dāng)薄膜厚度繼續(xù)增大至約1050 nm 時(shí)，此時(shí)氧化鎵薄膜的XRD 圖譜中出現(xiàn)的(—201)，(012)，(—402)，(—311)和(—603)晶面衍射峰峰強(qiáng)比840 nm 的有所減弱，說(shuō)明氧化鎵薄膜結(jié)晶質(zhì)量有所下降，或者晶粒取向變得更平均.我們從XRD 數(shù)據(jù)中提取了(—201)晶面族的衍射峰的半高寬，隨著薄膜厚度的增加，衍射峰(—201)的半高寬由0.763°變?yōu)?.812°，(—402)的半高寬由0.081°變?yōu)?.095°，(—603)的半高寬由1.102°變?yōu)?.215°，說(shuō)明了當(dāng)薄膜厚度從約840 nm 增大至約1050 nm 時(shí)，約1050 nm 厚的薄膜的結(jié)晶度要比約840 nm 的低，而(—201)晶面族的半高寬的變化也反映了薄膜晶粒尺寸的變化，由謝樂(lè)公式可知，半高寬變大則晶粒尺寸變小.謝樂(lè)公式為

圖2 不同厚度β-Ga2O3 薄膜的XRD 圖譜Fig.2.XRD patterns of β-Ga2O3 films with different thicknesses.

式中，D為晶粒尺寸，K為常數(shù)(常取0.89)，λ為X 射線波長(zhǎng)，β為衍射峰半高寬，θ為衍射角.計(jì)算可知，約840 nm 和約1050 nm 厚薄膜的(—201)晶面族的平均晶粒尺寸分別為40.47 和34.96 nm.得出約840 nm 的薄膜的晶粒尺寸要比約1050 nm的大.這與SEM 觀察結(jié)果一致.總之，所得β-Ga2O3薄膜的結(jié)晶質(zhì)量隨著薄膜厚度的增加逐漸改善，厚度約為840 nm 的薄膜結(jié)晶度最高，厚度繼續(xù)增大至1050 nm 后，結(jié)晶度略有下降.

3.3 光學(xué)性能

眾所周知，光吸收的測(cè)量對(duì)于判定薄膜的吸收系數(shù)、光學(xué)帶隙等光學(xué)參數(shù)有著非常重要的作用.圖3(a)是在氬氣800℃下退火后，不同厚度β-Ga2O3薄膜的UV-Vis 吸收光譜.可以看到，β-Ga2O3薄膜在波長(zhǎng)200—300 nm 日盲區(qū)域內(nèi)具有明顯的紫外光吸收，出現(xiàn)了陡峭的光學(xué)吸收邊[13，14].因?yàn)棣?Ga2O3是典型的直接帶隙半導(dǎo)體材料，光學(xué)帶隙與吸收系數(shù)之間滿足以下關(guān)系:

其中，hν是光子能量，B是常量，Eg是光學(xué)帶隙，α是吸收系數(shù)，計(jì)算公式為

其中，d為薄膜厚度，T為薄膜的透過(guò)率.分別以hν和α2為橫縱坐標(biāo)擬合曲線，當(dāng)縱坐標(biāo)α2的值為0 時(shí)，曲線的切線與橫軸的截距就是薄膜的禁帶寬度值[15，16].圖3(b)為β-Ga2O3薄膜α2隨hν的變化曲線.在薄膜厚度約210—1050 nm 范圍內(nèi)，所有樣品的Eg都在4.56—4.84 eV 之間，且隨著薄膜厚度的增加，薄膜的禁帶寬度幾乎呈線性增加，如圖3(c)所示.薄膜厚度增加會(huì)導(dǎo)致晶格應(yīng)變程度減小，且使薄膜缺陷減少，導(dǎo)致禁帶寬度增加.以上現(xiàn)象表明對(duì)于波長(zhǎng)為254 nm (能量約為4.88 eV)的紫外光照射，所制備的Ga2O3薄膜都會(huì)發(fā)生本征吸收，說(shuō)明所得β-Ga2O3薄膜可以用來(lái)制作紫外光電探測(cè)器.

圖3 (a)不同厚度β-Ga2O3 薄膜的UV-Vis 吸收光譜;(b)β-Ga2O3 薄膜α2 隨hν 的變化曲線;(c)不同厚度β-Ga2O3 薄膜的光學(xué)帶隙(Eg)圖Fig.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.

3.4 光致發(fā)光譜

光致發(fā)光譜(PL 譜)的測(cè)試對(duì)于探究薄膜厚度對(duì)薄膜缺陷的影響具有重要意義.圖4(a)給出了不同厚度的β-Ga2O3薄膜的光致發(fā)光光譜.在波長(zhǎng)為325 nm 的光源激發(fā)下，所有的β-Ga2O3薄膜都顯示出在350—600 nm 波長(zhǎng)范圍內(nèi)的很寬的紫外-綠光發(fā)光峰，所有的PL 譜具有相似的線型，發(fā)光峰的強(qiáng)度隨著薄膜厚度的增加而減小.為探究薄膜的缺陷來(lái)源，對(duì)PL 譜進(jìn)行了分峰處理，圖4(b)給出了薄膜厚度約為840 nm 的β-Ga2O3薄膜的PL高斯擬合峰，4 個(gè)中心約為378，415，456 和511 nm 的高斯擬合峰可以在圖4(b)中直觀地觀察到.圖4(c)—圖4(f)分別顯示了峰位約在378，415，456 和511 nm的不同厚度薄膜的PL 擬合峰，我們發(fā)現(xiàn)，不同峰位的峰強(qiáng)都隨薄膜厚度的增加而減小.β-Ga2O3的光致發(fā)光源自于施主能級(jí)與受主能級(jí)之間的電子躍遷.325 nm 光源可以將電子從價(jià)帶激發(fā)到導(dǎo)帶，導(dǎo)帶中的電子可以自由地移動(dòng)并最終到達(dá)施主能級(jí)，施主能級(jí)中的電子與受主能級(jí)中的空穴復(fù)合產(chǎn)生紫外-綠光[17，18].對(duì)于未摻雜的β-Ga2O3薄膜，其在350—600 nm 波長(zhǎng)范圍內(nèi)的紫外-綠光發(fā)光峰大部分歸因于氧空位，鎵空位和鎵-氧空位對(duì).本文將中心約為378(3.28 eV)，415(2.99 eV)，456(2.72 eV)和511(2.43 eV) nm 的PL 峰分別命名為M1，M2，M3 和M4.計(jì)算能級(jí)差結(jié)果如下:

圖4 (a)不同薄膜厚度的β-Ga2O3 薄膜的PL 光譜;(b)薄膜厚度約為840 nm 的Ga2O3 薄膜的PL 高斯擬合峰;(c)—(f)分別顯示了不同厚度Ga2O3 薄膜在波長(zhǎng)約為378，415，456 和511 nm 處的PL 擬合峰Fig.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.

可以確定，結(jié)果(A)和(B)對(duì)應(yīng)于由氧空位形成的兩個(gè)施主能級(jí)之間的能級(jí)差(ΔE1≈ 0.56 eV)[19].據(jù)報(bào)道，β-Ga2O3藍(lán)色(440—480 nm)的PL 峰來(lái)源于氧空位形成的施主能級(jí)上的電子與鎵空位、鎵-氧空位形成的受主能級(jí)上的空穴的復(fù)合[20，21].紫外發(fā)光(378 nm)源于躍遷到導(dǎo)帶的電子和空穴通過(guò)自行捕獲機(jī)制復(fù)合產(chǎn)生紫外光子[22，23].隨著薄膜厚度的增加，紫外、紫色、藍(lán)色發(fā)光峰都大幅度減弱，氧空位相關(guān)缺陷(VO，VGa—VO)得到抑制.薄膜厚度增加，薄膜的雜質(zhì)和缺陷中心減少，被施主、受主或其他陷阱中心束縛住的激子輻射復(fù)合的概率減少，由于其PL 發(fā)光強(qiáng)度與雜質(zhì)和缺陷中心數(shù)量呈正比關(guān)系，因此PL 峰隨著薄膜厚度的增加而降低.

3.5 光電探測(cè)性能

利用離子濺射儀在制備好的薄膜上濺射一層叉指形狀鉑層作為電極，從而形成肖特基接觸，器件結(jié)構(gòu)如圖5(a)所示.用此方法，基于不同厚度β-Ga2O3薄膜(約210，420，630，840 和1050 nm)制備了5 個(gè)MSM 型紫外光電探測(cè)器，分別記為器件A，B，C，D 和E.用于構(gòu)建光電探測(cè)器的未摻雜半導(dǎo)體層通常都會(huì)表現(xiàn)出非線性光響應(yīng)行為，這種現(xiàn)象可以解釋為由帶隙中的復(fù)合態(tài)中心引起的載流子復(fù)合，因此，探究隨著時(shí)間的推移紫外燈打開(kāi)和關(guān)閉的光響應(yīng)就變得尤為重要[24].圖5(b)給出了器件A—E的I-t圖.在波長(zhǎng)254 nm (光功率密度600 μW/cm2)紫外光照射、5 V 偏壓下，可以看出5 個(gè)器件均具有優(yōu)異的重復(fù)性和穩(wěn)定性(與其他器件相比，A 器件具有較低的暗電流(約0.36 pA)以及光電流(約6 pA)，所以在此圖中效果不明顯).從圖5(b)可以發(fā)現(xiàn)，所有器件都具有極低的暗電流，光電流隨著薄膜厚度的增加呈先增加后減小的趨勢(shì)，厚度約為420 nm(B 器件)的光電流為11 nA，C 器件的光電流增大了1 倍，達(dá)22 nA，D 器件的光電流繼續(xù)增大，至29 nA，E 器件的光電流有輕微下降，至27 nA，可見(jiàn)薄膜厚度約840 nm(D 器件)的光電響應(yīng)性能最好.薄膜厚度不斷增加，一定程度上拓寬了耗盡層的寬度，提高了光吸收效率，加大了對(duì)載流子的收集，因此隨著薄膜厚度的增加，光電流也呈增加趨勢(shì).在薄膜厚度達(dá)到約1050 nm 時(shí)，光電流的微小下降可能是因?yàn)楹谋M層過(guò)寬導(dǎo)致暗電流增大，影響了器件的靈敏度，導(dǎo)致光電流的突然變小.

圖5 (a) β-Ga2O3 紫外光電探測(cè)器層結(jié)構(gòu)示意圖;(b)不同薄膜厚度β-Ga2O3 器件的I-t 圖;(c)，(d) A 和D 器件瞬態(tài)響應(yīng)曲線的局部放大圖Fig.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.

為了分析制備出來(lái)的器件的性能，將不同薄膜厚度的氧化鎵紫外光電探測(cè)器的光電響應(yīng)時(shí)間整合匯總，如表2 所列.圖5(c)和圖5(d) 給出了A，D 器件254 nm 光照下瞬態(tài)響應(yīng)曲線的局部放大圖和雙指數(shù)弛豫方程擬合曲線，擬合方程如下:

其中，I0為穩(wěn)態(tài)電流;A，B為常數(shù);t為時(shí)間;τ1和τ2為弛豫時(shí)間常數(shù)，上升部分和下降部分的弛豫時(shí)間常數(shù)分別記為τr和τd，可以看到弛豫方程擬合曲線與瞬態(tài)響應(yīng)特性曲線擬合度很高.由表2 可以看出，所有器件整體表現(xiàn)出響應(yīng)速度快，器件的上升時(shí)間τr和下降時(shí)間τd均隨著薄膜厚度的增加呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)，且下降時(shí)間τd達(dá)毫秒級(jí)別.由于薄膜制備完成后又進(jìn)行了退火，退火使薄膜內(nèi)部的載流子陷阱變少，光生載流子主要來(lái)源于價(jià)帶和導(dǎo)帶之間的電子躍遷，而陷阱中心的捕獲和釋放載流子過(guò)程作用較小[8]，因此所有器件的響應(yīng)速度較快.

表2 不同器件的光響應(yīng)時(shí)間匯總表Table 2.Summary table of photo-response time of the device A to E.

為了進(jìn)一步探究各器件的光電響應(yīng)性能，整理并計(jì)算出光暗電流比((IPhoto—IDark)/IDark)、光響應(yīng)度(Responsivity，R)、探測(cè)率[25](Detectivity，D*)和外量子效率(External Quantum Efficiency，EQE)來(lái)對(duì)比不同器件的性能好壞[26].圖6 為不同器件的I-V曲線圖以及光暗電流對(duì)數(shù)坐標(biāo)圖.圖6(a)(c)(e)分別為A、D、E 器件的I-V曲線，可以發(fā)現(xiàn)在不同光功率密度下，光電流均隨正負(fù)偏壓逐漸上升.同時(shí)，在插圖中可以發(fā)現(xiàn)A，D，E 器件的暗電流與電壓的關(guān)系均呈現(xiàn)非嚴(yán)格的線性關(guān)系，說(shuō)明薄膜與鉑電極界面處存在肖特基勢(shì)壘，因此確定A，D，E 器件的薄膜與鉑電極之間均形成了良好的肖特基接觸.圖6(b)，6(d)和6(f)給出了光暗電流對(duì)數(shù)坐標(biāo)圖，黑暗條件下，5 V 偏壓時(shí)，A，D，E 器件都具有極低的暗電流，說(shuō)明制備的器件具有較高的信噪比，而在254 nm 紫外光照射下，同偏壓條件下，各器件均有光響應(yīng)，隨著薄膜厚度的增加，器件的光暗電流比也隨之先增加后減小，約840 nm厚的β-Ga2O3薄膜制備的D 器件的PDCR 高達(dá)3.2×105，比器件A 高出5 個(gè)數(shù)量級(jí)，器件E 的PDCR有所下降，但仍高達(dá)2.9×105.高的光暗電流比說(shuō)明了器件靈敏度較高，在光電探測(cè)器方面具有較大的應(yīng)用潛能，可以在嘈雜的背景下，快速有效地檢測(cè)到微弱的信號(hào).

圖6 (a)，(c)，(e)為不同器件的I-V 曲線，其中插圖為暗電流與電壓關(guān)系的放大圖;(b)，(d)，(f)為不同器件的光暗電流對(duì)數(shù)坐標(biāo)圖Fig.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.

響應(yīng)度R是衡量光電探測(cè)器靈敏度的另一個(gè)指標(biāo)，被定義為

其中Ip是光電流，Id是暗電流，Pλ是光功率密度，S是有效光照面積(本實(shí)驗(yàn)中S≈ 0.04 cm2).響應(yīng)度與外量子效率(EQE)成正比，EQE 是衡量每個(gè)入射光子產(chǎn)生電子空穴對(duì)數(shù)量的量度，被定義為

式中，h為普朗克常數(shù)，c為光速，q為1.6×10—19C，λ為入射光波長(zhǎng)(254 nm).探測(cè)率作為表征探測(cè)器探測(cè)最小光信號(hào)能力的指標(biāo)，通常用符號(hào)D*表示，被定義為

其中，Rλ為響應(yīng)度，Jd為暗電流密度，q為1.6×10—19C[27，28].圖7(a)所示是不同厚度的β-Ga2O3紫外光電探測(cè)器在5 V 偏置電壓下，紫外光功率密度為600 μW/cm2的條件下的響應(yīng)度曲線，可以看到，響應(yīng)度隨著薄膜厚度的增加，先增加后減小.圖7(b)是與圖7(a)同等條件下的探測(cè)率(D*)曲線與外量子效率(EQE)曲線，可以看到，D* 與EQE都隨薄膜厚度的增加先增加后減小，與響應(yīng)度的變化規(guī)律幾乎一致.D 器件的響應(yīng)度R、探測(cè)率D*和外量子效率EQE 分別為1.19 mA/W，1.9×1011Jones 和0.58%.相比之下，D 器件的光暗電流比和響應(yīng)度比較高說(shuō)明器件的靈敏度比較高，其高探測(cè)率也說(shuō)明了器件適用于微弱紫外光的探測(cè).所有器件較低的外量子效率說(shuō)明了當(dāng)光子入射到器件表面時(shí)，所能收集到的形成電流的電子較少，因此在將來(lái)實(shí)驗(yàn)中可以以此為突破點(diǎn)進(jìn)行探究，進(jìn)一步提高器件收集電子的能力從而提高器件的響應(yīng)度以及探測(cè)率.

圖7 器件的薄膜厚度與(a)響應(yīng)度R 的關(guān)系曲線以及(b)與探測(cè)率D*，EQE 的關(guān)系曲線Fig.7.(a) Relationship curve between the responsivity (R) and film thickness;(b) relationship curve between the D* &EQE and film thickness.

以上初步探明器件D 的光電響應(yīng)性能最佳，下面對(duì)其進(jìn)行更多的性能測(cè)試.圖8(a)為5 V 偏壓下，不同光功率密度(波長(zhǎng)254 nm)紫外光照下D 器件的I-t圖，可以發(fā)現(xiàn)，隨著光功率密度的增加，D 器件的光電流隨之增加，且光電流隨光功率密度的增加幾乎呈線性增加(如圖8(c))，表明給予器件更大的光功率密度的照射，會(huì)產(chǎn)生更多的電子和空穴，從而可以獲得更大的光電流[29-32].圖8(b)為在波長(zhǎng)為254 nm (600 μW/cm2)的紫外光照射下，器件在不同偏置電壓下的I-t圖，隨著電壓的增大，光電流隨之增大，且光電流隨外加電壓的增加(1—5 V)幾乎呈現(xiàn)線性增加，如圖8(d)所示，表明更大的電壓可以提供更多的漂移能量，用于將電子從半導(dǎo)體層驅(qū)動(dòng)到電極，也同樣可以獲得更大的光電流.光電流隨光功率密度以及外加電壓變化的規(guī)律也說(shuō)明了本文制備的器件可以在線性動(dòng)態(tài)區(qū)域內(nèi)工作，并且具有可量化的特點(diǎn)[29-31].為了評(píng)估本工作中制備出的紫外光電探測(cè)器的性能，表3對(duì)比了國(guó)內(nèi)外各類Ga2O3薄膜紫外光電探測(cè)器的主要性能指標(biāo).相比之下，本工作中的日盲紫外光電探測(cè)器的暗電流、響應(yīng)時(shí)間、光暗電流比、響應(yīng)度等性能指標(biāo)均居中上水平.因此，通過(guò)改變薄膜厚度來(lái)實(shí)現(xiàn)更快響應(yīng)的紫外光電探測(cè)器也是一種非常有效的途徑.

圖8 (a) D 器件在不同光功率密度光照下I-t 圖;(b) D 器件在不同偏壓下的I-t 圖;(c)光電流與光功率密度的關(guān)系;(d)光電流與外加偏壓的關(guān)系Fig.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.

表3 國(guó)內(nèi)外Ga2O3 薄膜基光電探測(cè)器的主要性能指標(biāo)對(duì)比Table 3.Comparison of the representative photoresponse metrics of the photodetectors based on Ga2O3 films.

4 結(jié)論

本文利用射頻磁控濺射技術(shù)在藍(lán)寶石襯底上制備了β-Ga2O3薄膜，隨著薄膜厚度的增加，薄膜結(jié)晶質(zhì)量提高，約840 nm 厚度的氧化鎵薄膜的結(jié)晶質(zhì)量最好，厚度繼續(xù)增大至約1050 nm 時(shí)，薄膜結(jié)晶質(zhì)量略有降低.不同厚度的β-Ga2O3薄膜在波長(zhǎng)200—300 nm 日盲區(qū)域內(nèi)均具有明顯的紫外光吸收，出現(xiàn)了陡峭的光學(xué)吸收邊，隨著薄膜厚度的增加，薄膜的禁帶寬度也隨之增加.不同厚度的β-Ga2O3薄膜PL 譜均顯示出在350—600 nm 波長(zhǎng)范圍內(nèi)有很寬的紫外-綠光發(fā)光峰，且各發(fā)光峰的峰強(qiáng)隨著薄膜厚度的增加而減小.器件的光電探測(cè)性能(光暗電流比、響應(yīng)度、探測(cè)率、外量子效率)隨薄膜厚度的增加呈先增后減的趨勢(shì).其中薄膜厚度約為840 nm 的β-Ga2O3薄膜制備出的紫外光電探測(cè)器，在5 V 偏壓下，表現(xiàn)出極低的暗電流(4.9×10—12A)，以及在波長(zhǎng)254 nm (600 μW/cm2)紫外光照下，表現(xiàn)出較高的光暗電流比(3.2×105)，較短的響應(yīng)時(shí)間(上升時(shí)間和下降時(shí)間分別為0.09/0.80 和0.06/0.53 s)，其響應(yīng)度R、探測(cè)率D*和外量子效率EQE 分別為1.19 mA/W，1.9×1011Jones 和0.58%，且其光電流隨光功率密度和偏置電壓的增加幾乎呈線性增加，因此用本文方法得到的約840 nm 厚度的β-Ga2O3薄膜制備的探測(cè)器具有較高的靈敏度和紫外探測(cè)效率，可用于制備日盲紫外探測(cè)器.