具有大光電導(dǎo)增益的氧化鎵薄膜基深紫外探測器陣列*

劉增 李磊 支鈺崧 都靈 方君鵬 李山2) 余建剛張茂林2) 楊莉莉2) 張少輝 郭宇鋒2)? 唐為華?

1) (南京郵電大學(xué)集成電路科學(xué)與工程學(xué)院,南京 210023)

2) (南京郵電大學(xué)射頻集成與微組裝技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實驗室,南京 210023)

3) (中國運載火箭技術(shù)研究院,北京 100076)

4) (金陵科技學(xué)院電子信息工程學(xué)院,南京 211169)

5) (清華大學(xué)集成電路學(xué)院,北京 100084)

6) (中北大學(xué)儀器與電子學(xué)院,動態(tài)測試技術(shù)國家重點實驗室,太原 030051)

7) (深圳大學(xué)物理與光電工程學(xué)院,微納光電子學(xué)研究院,深圳 518060)

氧化鎵在深紫外探測方面具有天然的材料優(yōu)勢,鑒于探測器陣列在光學(xué)成像等領(lǐng)域有著十分重要的用途,本文主要介紹了一個五叉指電極結(jié)構(gòu)的4×4 氧化鎵基深紫外探測器陣列.氧化鎵薄膜由金屬有機化學(xué)氣相沉積技術(shù)生長得到,器件的加工通過紫外光刻、剝離和離子束濺射技術(shù)完成.由此得到的氧化鎵薄膜結(jié)晶度高且表面均勻.探測器具有優(yōu)異的深紫外光響應(yīng)特性,光響應(yīng)度可達2.65×103 A/W,探測度達2.76×1016 Jones,同時還具有(1.29×106)%的外量子效率,光電導(dǎo)增益高達12900;16 個探測器單元的暗電流和光電流均具有良好的均勻性.本文從光電性能和應(yīng)用前景的角度說明了氧化鎵深紫外探測器陣列的巨大應(yīng)用潛力.

1 引言

由于陣列成像器在諸多領(lǐng)域的重要應(yīng)用,相關(guān)研究與發(fā)展也得到了學(xué)術(shù)界與工業(yè)界越來越多的重視[1,2].成像探測器能將光學(xué)圖像通過光電效應(yīng)轉(zhuǎn)換為可以便宜分析識別的電學(xué)信號[3,4].在每一種器件制備的過程中,材料的選擇對于實現(xiàn)優(yōu)異的器件性能至關(guān)重要[5,6];對于本文所要探討的探測器件而言,材料的選擇同樣是一個不可回避的關(guān)鍵因素.作為一種典型的寬禁帶半導(dǎo)體氧化物半導(dǎo)體,氧化鎵(Ga2O3)在制備深紫外探測器方面得到了越來越多的關(guān)注;這得益于紫外探測器在軍民兩用領(lǐng)域大量的實際應(yīng)用需求[7-9],以及Ga2O3本身的許多優(yōu)異材料特性[10],尤指它具有4.8 eV 左右的禁帶寬度,恰好能夠有效地響應(yīng)于電磁波譜中的深紫外波段[11,12].

從目前的發(fā)展現(xiàn)狀來看,已經(jīng)有多種結(jié)構(gòu)的基于單晶襯底與薄膜的Ga2O3探測器陣列的報道[13-18].例如,Zhi等[14]設(shè)計了16×4 的Ga2O3線性陣列探測器,其光響應(yīng)度(responsivity,R)達到139.56 A/W,探測度(detectivity,D*)為1015Jones,外量子效率(external quantum efficiency,EQE)為68000%,整個探測器的64 個器件單元的R標(biāo)準(zhǔn)偏差為10%左右.Tak等[15]在其陣列探測器中實現(xiàn)了9.1×10—16A/Hz的超低噪聲和88.5 dB的線性動態(tài)范圍(linear dynamic range,LDR).Pratyush等[17]基于Ga2O3單晶襯底制備的陣列探測器的R達到了4 A/W,但是尚未對過大的標(biāo)準(zhǔn)偏差給出解決方案.此外,Ga2O3陣列探測器的成像應(yīng)用[19-22]也有一些初步的報道,包括β-Ga2O3[19]與非晶Ga2O3[20-22]的器件;成像通過遮擋板的使用記錄每一個探測器單元的暗電流與光電流來實現(xiàn).在之前的研究中[16],4×4 的矩形Ga2O3陣列探測器展現(xiàn)出了634.15 A/W 的高響應(yīng)度以及2300左右的光電增益,表明該器件具有高效的載流子輸運和收集水平.然而,R的標(biāo)準(zhǔn)偏差將近20%.對于其在光學(xué)成像中的應(yīng)用而言,高的光響應(yīng)度、快速的響應(yīng)以及低的標(biāo)準(zhǔn)偏差都是必不可少的關(guān)鍵參數(shù)[23].

本工作通過使用金屬有機化學(xué)氣相沉積(metalorganic chemical vapor deposition,MOCVD)技術(shù)來制備Ga2O3薄膜,所使用的襯底為(0001)面藍寶石襯底.再利用紫外光刻、剝離和離子束濺射等微納加工方法制備Ga2O3基深紫外探測器陣列.薄膜的質(zhì)量將通過X 射線衍射(X-ray diffraction,XRD)、掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope,SEM),原子力顯微鏡(atomic force microscope,AFM)以及紫外-可見光吸收光譜(UVvisible absorbance spectrum,UV-vis)來檢驗.每一個探測器單元的光電特性將通過Keithley 4200半導(dǎo)體測試設(shè)備完成,包括電流-電壓(I-V)特性曲線以及動態(tài)光響應(yīng)特性(I-t).

2 實驗方法

本文中所使用的Ga2O3薄膜由金屬有機化學(xué)氣相沉積(metal-organic chemical vapor deposition,MOCVD)技術(shù)制備得到[24,25],制備的腔室溫度與氣壓分別為760 ℃和25 Torr (1 Torr=1.33×102Pa),在生長過程中根據(jù)安托萬方程(Antoine’s equation)[26],氧與鎵[O/Ga]的摩爾質(zhì)量比約為1650.Ga2O3薄膜晶體的晶體質(zhì)量(包括衍射峰、表面形貌與粗糙度等)通過XRD,SEM,AFM 等測試手段完成;其光學(xué)帶隙通過紫外-可見光吸收光譜測得[27,28].

陣列探測器的制備通過紫外光刻、剝離技術(shù)以及離子束濺射等手段實現(xiàn).對稱的雙層的Ti/Au電極沉積在Ga2O3薄膜的表面;電極形貌為五指的叉指型圖形,每指長190 μm,寬10 μm,指間間距為5 μm,叉指到電極背的距離為10 μm,因此每一個探測器單元的有效光照面積(S)為104μm2.探測器的光電性能,包括電流-電壓特性(I-V)曲線和動態(tài)響應(yīng)(I-t)曲線,通過半導(dǎo)體測試設(shè)備Keithley 4200 來完成,所使用的紫外光源的光強可以通過改變測試樣品與光源之間的距離來調(diào)控.

3 結(jié)果分析

圖1(a)所示為Ga2O3薄膜的XRD 圖.從圖1(a)可以看出3 個平行的晶面,即β-Ga2O3的()面、()面和()面,3 個面對應(yīng)的半高寬(FWHM)分別為0.21°,0.39°和0.52°;圖中額外的一個很強的衍射峰來自沉積薄膜使用的(0001)面藍寶石襯底.圖1(b)所示為Ga2O3薄膜表面的SEM 圖,可以看到邊界清晰的棒狀晶粒.由圖1(c)的AFM 圖可以看出其表面的平均粗糙度(RMS)為4.15 nm.這些結(jié)果表明這里制備的Ga2O3薄膜具有良好的晶體質(zhì)量,這是制備優(yōu)異性能器件的十分關(guān)鍵的材料基礎(chǔ)[29].對于一般的半導(dǎo)體材料而言,光學(xué)帶隙與吸收系數(shù)之間滿足Tauc 關(guān)系式,對于直接帶隙的Ga2O3而言,其通常表達為[30]

其中,α為吸收系數(shù),hv為入射光子能,B是常量,Eg為光學(xué)帶隙.通過對 (αhv)2與光子能hv的關(guān)系曲線采用外推法(如圖1(d)所示)可以得出Ga2O3薄膜的Eg約為4.89 eV.從上述的參數(shù)來看,本工作中所制備的優(yōu)質(zhì)Ga2O3薄膜為實現(xiàn)高性能探測器陣列器件提供了保證.

圖1 MOCVD 生長的Ga2O3 薄膜 (a) XRD 圖;(b) 表面SEM 圖;(c) 表面AFM 圖;(d) 紫外-可見光吸收光譜,內(nèi)插圖為(αhv)2和hv 的函數(shù)曲線Fig.1.The MOCVD-grown Ga2O3 thin film: (a) The XRD pattern;(b) surface SEM image;(c) AFM image;(d) UV-vis absorbance spectrum,The inset is the relationship of (αhv)2 and hv.

本工作在2 in (1 in=2.54 cm)的藍寶石襯底上制備了6 只Ga2O3探測器陣列,其平面結(jié)構(gòu)示意圖如圖2(a)所示.圖2(b)為圖2(a)藍色框中一只在本文中用以分析和討論的探測器陣列的示意圖,其具體的器件尺寸已經(jīng)在實驗部分給出;圖2(c)為圖2(b)中紅色框中的局部放大圖.其中,電極圖形清晰且界限明顯.

圖2 (a) 2 in 薄膜上制備的6 只Ga2O3 探測器陣列的平面結(jié)構(gòu)示意圖;(b) 圖(a)藍色框內(nèi)探測器陣列的結(jié)構(gòu)示意圖;(c) 圖(b)中紅色框局部放大圖Fig.2.(a) The schematic diagrams of the six Ga2O3 photodetector arrays;(b) the enlarged portion of blue mark in figure (a);(c) the enlarged portion of red mark in Fig.(b).

圖3 所示為Ga2O3探測器陣列的光響應(yīng)特性.其中,圖3(a)為其線性的I-V特性曲線,其光電特性類似于一個光敏電阻,因此這種探測器被稱為光電導(dǎo)型探測器.在10 V 偏壓下的暗電流(Idark)低至2.89 pA;將暗電流作為探測器噪聲的主要來源,如此低的Idark說明了制備的探測器具有低的噪聲,這是關(guān)乎探測器件靈敏性的關(guān)鍵參數(shù).一般來說,通常利用光響應(yīng)參數(shù)R,D*和EQE 來描述一個探測器的性能[31,32],它們通常被定義為

圖3 Ga2O3 探測器陣列 (a)線性I-V 特性曲線;(b) 對數(shù)I-V 特性曲線;(c)光電流與光強的關(guān)系圖;(d)動態(tài)響應(yīng)圖Fig.3.(a) The linear I-V;(b) semi-log I-V;(c) the relationship of photocurrent and light intensity;(d) the time-resolved transient photo response of the Ga2O3 photodetector array.

其中,Plight是入射光的光強,S為探測器的有效光照射面積,h為普朗克常量,c為光速,q為電子電荷,λ為入射光波長.當(dāng)入射光光強為1500 μW/cm2時,其光電流(Iphoto)為3.98×10—4A,故得出其R為2.65×103A/W,說明探測器對254 nm 的紫外光具有很高的探測靈敏度.通過計算,D*為2.76×1016Jones,說明該探測器能夠探測超低光強的光信號的能力.EQE為(1.29×106)%,表明這個探測器中每一個入射的光子都能夠有效地激發(fā)出電子-空穴對,也即入射光與Ga2O3進行了有效的耦合作用.從這些性能指標(biāo)能夠看出,這里介紹的Ga2O3探測器陣列(其中的一個探測器單元)的深紫外光響應(yīng)特性指標(biāo)優(yōu)異.從圖3(b)所示的對數(shù)形式的I-V曲線可以看出其光暗電流比(photo-to-dark current ratio,PDCR)高達1.38×108,在有光照和無光照條件下輸出電流出現(xiàn)如此大的比值主要得益于入射光子對Ga2O3半導(dǎo)體中載流子的有效激發(fā),探測器的光響應(yīng)性能佳.圖3(c)為Iphoto隨光強變化的關(guān)系圖,根據(jù)冪律定律[33]:

本工作中,θ為0.683,說明Iphoto與入射光光強是近線性關(guān)系,隨著光強的增大,Iphoto并沒有隨著線性提高(θ為1 時,為標(biāo)準(zhǔn)的線性關(guān)系);主要原因可能是在更高的光強入射光照射下,更多的光生電子與空穴會出現(xiàn)的同樣體積的材料中,出現(xiàn)比低光強入射光照射情形下更嚴重的載流子散射,散射過程會增大光生電子與空穴的接觸概率,繼而在此過程中會出現(xiàn)過多的電子與空穴復(fù)合的現(xiàn)象[34].在光強為800 μW/cm2時,LDR=20 lg(Iphoto/Idark),LDR為145.78 dB.如圖3(d),其為在不同的入射光光強照射下,探測器的瞬態(tài)光響應(yīng)特性圖;可以看出,在所有光強的光照射下探測器均能展現(xiàn)穩(wěn)定且可重復(fù)的光開關(guān)特性;并且,隨著入射光光強的增大,光電流增大,因為在固定的偏壓驅(qū)動下(10 V)更強光強的入射光能夠激發(fā)更多的光生電子-空穴對[35].時間擬合公式I=I0+Ae-t/τ,其中I0為飽和光電流,A為常數(shù),t為時間,τ為弛豫時間常數(shù);在偏壓為10 V,光強為1500 μW/cm2的情況下,上升和下降時間分別為0.36 s 和0.26 s.

此外,當(dāng)考慮所有入射光子都被探測器表面所吸收(即認為內(nèi)量子效率為100%),光電導(dǎo)增益(gain,G)依據(jù)如下定義:其中,hv為入射光子的光子能量.G所表達的物理意義就是每個具有光子能hv的光子入射到器件表面,激發(fā)光生載流子后被探測器的電極所收集的載流子數(shù);用以著重描述由于光激發(fā)而生成的電子-空穴對當(dāng)中,通過探測器中的電極與半導(dǎo)體接觸部分的載流子數(shù);因此可以根據(jù)實驗數(shù)據(jù)得出本工作中的G為12900,一般探測器的量子效率不會大于1,但是在外加電壓驅(qū)動下,一個入射光子不僅僅激發(fā)一個光生載流子時,就會出現(xiàn)EQE 大于1 的情況,同時會出現(xiàn)光生載流子的倍增現(xiàn)象.假設(shè)入射光子全部被吸收.如此遠大于1的G可能由于光生電子在復(fù)合之前在電路中持續(xù)運動的時間比較長而導(dǎo)致的;對于n 型半導(dǎo)體材料Ga2O3而言,作為少數(shù)載流子的空穴會在Ga2O3薄膜材料中被束縛以至不能迅速地與非平衡狀態(tài)下的多數(shù)載流子電子發(fā)生復(fù)合,致使電子在這個過程中出現(xiàn)在電極間循環(huán)傳輸?shù)默F(xiàn)象,這種現(xiàn)象雖然使得探測器的G很高,但同時也會帶來探測器的持續(xù)光電導(dǎo)效應(yīng)[36],會嚴重影響到探測器的響應(yīng)速度.因此,能夠在高光響應(yīng)(響應(yīng)度與增益)與快速響應(yīng)之間找到折衷的優(yōu)選辦法仍然是需要解決的問題.

圖4 所示為10 V 偏壓下,探測器陣列在不同光強的入射光照射下的光電流與暗電流.可以看出,暗電流幾乎沒有變化;在不同的光強的入射光照射下,隨著光強的增大,光電流也隨著增大;在相同光強的照射下,光電流的變化不大.例如,在1500 μW/cm2光強的紫外光輻照下,其最大和最小光電流分別為3.999×10—4A 和3.905×10—4A.如此小的偏差主要得益于制備的Ga2O3薄膜的低的RMS 以及加工工藝的穩(wěn)定性,這為探測器陣列在如光學(xué)成像等實際應(yīng)用領(lǐng)域提供了堅實的基礎(chǔ).

圖4 10 V 偏壓下,16 個探測器單元在不同光強的入射光照射下暗電流與光電流的統(tǒng)計數(shù)值Fig.4.The statistic photo and dark current of the 16 photodetector cells at 10 V,under the illuminations with various light intensities.

4 結(jié)論

本文報道了具有高深紫外光響應(yīng)性能的Ga2O3探測器陣列器件.得益于較好的薄膜晶體質(zhì)量與加工工藝的穩(wěn)定性,探測器陣列的光響應(yīng)度為2.65×103A/W,探測度為2.76×1016Jones,外量子效率為1.29×106%,光電導(dǎo)增益遠大于1,16 個探測器單元的輸出電流具有超高的均勻性,綜合性能優(yōu)異.這些結(jié)果證明了本文介紹的器件具備優(yōu)異的性能和執(zhí)行深紫外光探測的巨大潛力,以及在光學(xué)成像領(lǐng)域獲得進一步發(fā)展的基礎(chǔ).探測器作為光學(xué)成像系統(tǒng)中的核心元件,除高的光響應(yīng)性能外,還需要有足夠的像素點以保證成像清晰.本文中介紹的4×4 陣列僅有16 個像素點,因此更大面積的探測器的陣列的制備顯得尤為關(guān)鍵,然而這類器件對材料的大面積均勻性和加工工藝的穩(wěn)定性要求更高,有待在后續(xù)工作中加以解決.