關于Ga2O3/Al0.1Ga0.9N 同型異質(zhì)結(jié)的雙波段、雙模式紫外探測性能分析*

李磊 支鈺崧 張茂林2) 劉增2)? 張少輝 馬萬煜 許強 沈高輝 王霞 郭宇鋒2) 唐為華2)??

1) (南京郵電大學集成電路科學與工程學院,氧化鎵半導體創(chuàng)新中心,南京 210023)

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

3) (深圳大學物理與光電工程學院,微納光電子學研究院,深圳 518060)

4) (中國運載火箭技術研究院,北京 100076)

5) (山西工程技術學院電氣與控制工程系,陽泉 045000)

鑒于紫外探測器在諸多領域的重要應用,探尋自供電型探測器以及挖掘其內(nèi)在運行機理顯得尤為關鍵.本文制備的Ga2O3/Al0.1Ga0.9N 異質(zhì)結(jié)紫外探測器能夠?qū)崿F(xiàn)對254 nm 波長(UVC 波段)和365 nm(UVA 波段)波長紫外光的敏感探測,并在不同方向的偏壓驅(qū)動下能夠?qū)崿F(xiàn)耗盡模式和光電導模式的光探測.這里介紹的基于Ga2O3/Al0.1Ga0.9N 異質(zhì)結(jié)的雙波段、雙模式紫外光電探測器具有理想的暗電流和光響應特性;在5 和–5 V 偏壓下,在254 nm 光照射下的光響應度分別為2.09 和66.32 mA/W,在365 nm 光照射下的光響應度分別為0.22 和34.75 mA/W.并且僅在內(nèi)建電場的作用下能夠自供電運行,對254 和365 nm 波長紫外光的光響應度為0.13 和0.01 mA/W.進一步,除對材料與器件性能的表征與解析,本文還從異質(zhì)結(jié)探測器的運行機理上分析了其雙波段與雙模式探測特性.

1 引言

紫外光電探測器是先進通訊、火警探測、空氣凈化以及臭氧監(jiān)測等領域中重要的元器件之一[1].目前,硅(Si)基探測器已經(jīng)相對成熟,但往往需要高透過率的濾波器和熒光材料阻擋低能光子以提升效率[2],這樣就會增加器件加工與運行的成本.寬禁帶半導體由于其能帶上的天然優(yōu)勢能夠在無需材料或器件的特殊處理的情況下實現(xiàn)紫外探測[3],并且隨著材料生長技術的進步與器件加工能力的提升,寬禁帶半導體材料的獲取也越來越容易[4],寬禁帶半導體紫外探測器件也因此取得了很大的進展[5?8].氧化鎵(Ga2O3)作為一種典型的寬禁帶半導體材料,其禁帶寬度為4.9 eV 左右,化學及熱力學性質(zhì)穩(wěn)定,在深紫外探測領域受到了越來越多的重視.基于Ga2O3基深紫外探測器,各種器件結(jié)構(gòu)設計與優(yōu)化手段被用來優(yōu)化提升探測器的性能.

具體地,Qian 等[9]利用局域表面等離激元共振的方法,引入Al@Al2O3核殼納米陣列結(jié)構(gòu)使Ga2O3基深紫外探測器的光響應度(responsivity,R)達到216 A/W,探測度(detectivity,D*)達到4.22×1015Jones.Liu 等[10]通過構(gòu)建非對稱勢壘的Ga2O3基肖特基結(jié),不僅獲得了超高的深紫外光響應性能,探測器還能在無源狀態(tài)(零偏壓)下穩(wěn)定運行,這種依賴于內(nèi)建電場驅(qū)動的自供電工作模式使其R達到了0.73 mA/W,D*達到了3.35×1010Jones.此外,由于表面俘獲效應的存在,Ga2O3深紫外探測器的持續(xù)光電導效應與增益循環(huán)機制也被研究并報道[11,12].

就絕大多數(shù)電子、光電子器件而言,異質(zhì)結(jié)的構(gòu)建由于不同的禁帶寬度以及不連續(xù)的能帶會帶來諸多新奇物理現(xiàn)象與器件性能的改善[13?16].界面的質(zhì)量對異質(zhì)結(jié)器件起著至關重要的決定性作用[15],在很大程度上,我們甚至可以將界面稱為器件[13].對于Ga2O3基深紫外探測器,已經(jīng)有一些異質(zhì)結(jié)構(gòu)的報道;比如,異質(zhì)結(jié)的構(gòu)建對探測性能的提升[17,18],自供電運行模式的促成[19,20],以及寬帶探測的實現(xiàn)[21,22]等.Ga2O3與Al0.1Ga0.9N 都屬于寬禁帶半導體材料;鑒于寬禁帶半導體的材料特性,該工作組建了基于全寬禁帶半導體的異質(zhì)結(jié)構(gòu).就Ga2O3基探測器而言,已經(jīng)報道的Ga2O3/GaN 異質(zhì)結(jié)探測器的性能優(yōu)異[23,24],Al0.1Ga0.9N 與GaN 具有相近的晶格結(jié)構(gòu)和原子間距,故本文將利用射頻磁控濺射技術構(gòu)建Ga2O3/Al0.1Ga0.9N 薄膜異質(zhì)結(jié),在對材料做出基礎表征的前提下來探討該異質(zhì)結(jié)探測器的紫外光電傳感特性,并就其雙波段探測和雙工作模式展開細致分析.

2 實驗方法

首先,利用金屬有機化學氣相沉積(metalorganic chemical vapor deposition,MOCVD)技術在c面藍寶石襯底上生長Al0.1Ga0.9N 薄膜,然后利用射頻磁控濺射技術在Al0.1Ga0.9N 薄膜上再沉積Ga2O3薄膜.在獲得Ga2O3/Al0.1Ga0.9N 平面異質(zhì)結(jié)的基礎上,通過機械轉(zhuǎn)移的方法將銦(In)金屬圓柱形小塊分別轉(zhuǎn)移到Al0.1Ga0.9N 和Ga2O3薄膜的表面以作為電極,通過光學顯微鏡測量得到異質(zhì)結(jié)探測器的有效光照面積約為1.00 mm2,相應的探測器結(jié)構(gòu)示意圖如圖1(b)所示.

為了檢驗本工作中所制備的薄膜材料的晶體質(zhì)量,采用X 射線衍射(X-ray diffraction,XRD)和紫外-可見光吸收光譜(UV-Visible absorption spectroscopy)加以驗證.進一步,為了表征此異質(zhì)結(jié)光電探測器的紫外光電響應特性,利用keysight 1505A 半導體測試儀器來完成,并輔助以能夠發(fā)射254 和365 nm 紫外的光源來輻照樣品.

3 結(jié)果分析

如圖1(a)所示,其為Ga2O3/Al0.1Ga0.9N 異質(zhì)結(jié)的XRD 圖譜,結(jié)果顯示有Al0.1Ga0.9N 的(001)和(002)衍射峰[25],Ga2O3的(110)衍射峰(α-Ga2O3),以及c面藍寶石襯底的(0006)衍射峰.一般,文獻報道的襯底衍射峰要比生長的薄膜衍射峰尖銳,這里襯底衍射峰低于制備的薄膜衍射峰,可能是由于我們使用的Al0.1Ga0.9N 薄膜厚度高達5 μm 并對襯底衍射起到了一定的掩蓋的緣故.利用上述介紹的薄膜異質(zhì)結(jié)構(gòu),制備的Ga2O3/Al0.1Ga0.9N 異質(zhì)結(jié)紫外光電探測器如圖1(b)所示.

圖1 Ga2O3/Al0.1Ga0.9 N 異質(zhì)結(jié) (a) X 射線衍射圖譜;(b) 相應的紫外光電探測器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1.(a) The XRD pattern of the Ga2O3/Al0.1Ga0.9N heterojunction,and (b) its schematic diagram of the UV photodetector.

本文所制備的Ga2O3與Al0.1Ga0.9N 薄膜的吸收光譜(測試波長介于190 到900 nm 之間)如圖2(a)和圖2(b)所示;從這個結(jié)果,能夠明顯看出Ga2O3和Al0.1Ga0.9N 薄膜分別對UVC,UVA 波段的紫外光表現(xiàn)出了明顯的強吸收能力,然而對于可見光波段基本無吸收,據(jù)此可以推斷Ga2O3/Al0.1Ga0.9N異質(zhì)結(jié)本質(zhì)上是可以實現(xiàn)UVA/UVC 雙波段紫外光吸收,體現(xiàn)該異質(zhì)結(jié)探測器的雙波段探測能力.對變量(αhv)2與光子能量(hv)的函數(shù)曲線采取外推法[如圖2(a)和圖2(b)內(nèi)插圖所示]計算得到Ga2O3與Al0.1Ga0.9N 的光學帶隙(Eg)分別約為5.11 和3.58 eV,其擬合曲線的Tauc 函數(shù)表達式為

圖2 (a) Al0.1Ga0.9N 薄膜和 (b) Ga2O3 薄膜的紫外-可見光吸收光譜,相應的內(nèi)插圖分別為 (αhv)2 與(hv)的函數(shù)關系曲線Fig.2.UV-vis absorbance spectrum of the (a) Al0.1Ga0.9N and (b) Ga2O3 thin films.The corresponding insets are the functions of(αhv)2 versus hv,respectively.

其中Eg為帶隙;C為常數(shù);α為吸收系數(shù);h為普朗克常數(shù);v為入射光頻率.本工作獲得的Ga2O3與Al0.1Ga0.9N 的光學帶隙值與文獻報道基本一致[4,25].

圖3 所示為 Ga2O3/Al0.1Ga0.9N 異質(zhì)結(jié)光電探測器在暗條件以及不同光照強度(波長為365 和254 nm)輻照下的電流-電壓(I-V)關系圖,可以看出該異質(zhì)結(jié)探測器在暗條件下表現(xiàn)出了良好的整流特性,這樣在反向偏壓下更易獲得低噪聲的光電探測.在254 nm 紫外光照射下整流比也僅約為40,在365 nm 紫外光照射下整流比約為100;探測器在暗條件下具有較低的暗電流(dark current,Idark);在+5 和–5 V 電壓的驅(qū)動下,Idark分別為68.74 和5.32 pA,較低的Idark將引入更小的噪聲影響和更高的靈敏度(假設將Idark作為探測器噪聲的主要來源).其光暗電流比(photo-to-dark current ratio,PDCR)在波長為254 nm(UVC),相應的光強為207 μW/cm2時高達1.93×103;而在波長為365 nm(UVA),相 應 的 光 強 為530 μW/cm2光照下,PDCR 高達7.92×103,較大的PDCR 展現(xiàn)出了這里介紹的異質(zhì)結(jié)光電探測器對254 和365 nm 波長的紫外光都具有很強的敏感性,體現(xiàn)出了該Ga2O3/Al0.1Ga0.9N 異質(zhì)結(jié)探測器具有雙波段(dual-band)探測的能力.

圖3 Ga2O3/Al0.1Ga0.9N 異質(zhì)結(jié)光電探測器的對數(shù)形式的I-V 特性曲線 (a) 暗條件與254 nm 波長紫外光輻照;(b) 暗條件與365 nm 波長紫外光輻照Fig.3.The semi-log I-V curves of the Ga2O3/Al0.1Ga0.9N heterojunction photodetector: (a) In the dark under 254 nm light illumination;(b) in the dark and under 365 nm light illumination.

這里,用R,D*和外量子效率(external quantum efficiency,EQE)這三項衡量光電探測器的重要指標來表征探測器性能,其公式如下[26]:

其中P為入射光強;q為電荷量(1.6×10–19C);S為有效光照面積;h為普朗克常量(6.626×10–34J·s);c為光速;λ為入射光的波長(本文為254 和365 nm).另外,通過對圖3 的觀察,很明顯可以看到,在反向偏壓下其為截止狀態(tài),在正向偏壓下其為導通狀態(tài).這類探測器在執(zhí)行光探測時,不同方向偏壓下的運行機理不同,探測器在反向和正向偏壓下的運行模式分別為耗盡模式和光電導模式,光電導模式探測器類似于一個光敏電阻,其輸運機制通常用電子隧穿理論描述.對于N-N 異質(zhì)結(jié)而言,由于能帶階躍和能帶彎曲,也會在界面形成尖峰勢壘,所以耗盡模式下的載流子輸運也可以用熱電子理論解釋[27,28]:

其中I0為飽和電流;A為金屬半導體接觸的有效面積;A?為有效理查德森常數(shù);n為理想因子;kB為玻爾茲曼常數(shù):φB為異質(zhì)結(jié)界面的勢壘高度.由于載流子輸運機理的不同,這個Ga2O3/Al0.1Ga0.9N異質(zhì)結(jié)探測器執(zhí)行的是雙模式的探測.異質(zhì)結(jié)器件由于在正反偏壓下的輸運機理不同,因此使得相應的偏壓下探測器的工作模式不同,包括光電導模式和耗盡模式.光電導模式具有良好的線性關系以及可量化的應用空間.耗盡模式的Idark相對更低,當將其作為主要噪聲來源時,探測器的D*會很高.根據(jù)(2)式—(4)式計算所得,無論是在正向還是反向偏壓下的R,D*和EQE 分別被總結(jié)在表1 中,這就說明這里所介紹的異質(zhì)結(jié)探測器能夠?qū)崿F(xiàn)雙波段(254 nm: UVC,365 nm: UVA)、雙模式(耗盡模式與光電導模式)的紫外光電探測.

表1 雙波段、雙模式Ga2O3/Al0.1Ga0.9N 異質(zhì)結(jié)光電探測器的性能總結(jié)Table 1.Summary on the performance of the dual-band,dual-mode heterojunction photodetector.

關于自供電型的光電探測器的研究包括運行機理、運行模式和探測波段等.對于異質(zhì)結(jié)器件而言,由于形成結(jié)的兩種不同半導材料體接觸表面會有內(nèi)建電場的存在,這就能在不施加偏壓的條件下分離電子-空穴對,故而這類異質(zhì)結(jié)光電探測器可以在無外加電壓下穩(wěn)定工作,即稱為自供電運行.如圖4 所示,其為在0 V 偏壓下的瞬時光響應與光強關系圖;隨著光強的增加,更多的光生載流子被激發(fā),從而可以輸出更大的Iphoto.這個結(jié)果不僅驗證了此Ga2O3/Al0.1Ga0.9N 異質(zhì)結(jié)探測器可以在自供電模式下工作,也說明了探測器能夠響應快速變化的光學信號.此外,在254 和365 nm 這兩種波長紫外光的照射時,在光源開啟的瞬間,輸出電流都出現(xiàn)了一個明顯的上升尖峰,這很可能是由于內(nèi)建電勢與入射紫外光的協(xié)調(diào)效應導致的,因為在光照下激發(fā)的大量光生載流子很難及時地被電極收集[29?31],這一現(xiàn)象在自供電型探測器中相對常見.恰恰由于這里異質(zhì)結(jié)的內(nèi)建電勢很低,更是加劇了電流出現(xiàn)上升尖峰的現(xiàn)象.然而,Ga2O3與Al0.1Ga0.9N都是N 型半導體材料,它們構(gòu)建的異質(zhì)結(jié)屬于同型異質(zhì)結(jié),即N-N 異質(zhì)結(jié).這意味著其整流特性所能承受的電壓范圍也小,很容易出現(xiàn)擊穿現(xiàn)象.具體可以通過摻雜等技術來調(diào)節(jié)載流子濃度,進而改善對內(nèi)建電場的調(diào)控.

圖4 零偏壓下 (a) 254 nm 波長紫外光照射下的對數(shù)I-t 特性曲線;(b) 365 nm 波長紫外光照射下的對數(shù)I-t 特性曲線Fig.4.The I-t curves under (a) 254 nm and (b) 365 nm light illumination at zero bias.

為了研究不同電壓下光電流隨光強變化的規(guī)律,如圖5 所示為針對不同波長光照射時不同外加電壓下的電流隨時間變化圖(I-t圖);圖5(a)—(d)顯示的結(jié)果表明,在光強一定時,隨著外加電壓的增強,Iphoto逐漸增大,這一現(xiàn)象主要是由于隨著電壓的增加,載流子漂移速度增大,同時更多的電子掙脫了界面態(tài)陷阱的束縛所造成的.再者,考慮到隨著光強的增加,Iphoto亦隨之增大,光強的增加致使價帶中更多的電子吸收了光子能量(hv),更多的電子躍遷到導帶,形成更高的Iphoto.

圖5 (a) 正向偏壓下、(b) 反向偏壓下254 nm 波長光輻照下的I-t 特性曲線;(c) 正向偏壓下、(d) 反向偏壓下365 nm 波長光輻照下的I-t 特性曲線Fig.5.The I-t curves at (a) positive voltages and (b) negative voltages under the illuminations of 254 nm UV light.The I-t curvesat (c) positive voltages and (d) negative voltages under the illuminations of 365 nm UV light.

如圖6 所示,根據(jù)冪次定律:

其中P為光照功率密度;θ為擬合冪數(shù).對于本工作制備的探測器件,θ并不為1,因此可以認為Iphoto與P呈現(xiàn)出的是近線性關系.隨著電壓的施加,θ大于 1,造成這種現(xiàn)象的主要原因是在外加電壓的作用下,載流子的漂移速度隨之增加并且俘獲態(tài)電子需要更小的能量便可躍遷致導帶,因此光子的剩余能量可以激發(fā)更多的電子躍遷,形成倍增效應[32].然而如圖6(a)和圖6(d),外部施加較小的電壓時,θ小于1,主要是由于較強的光照情況下相比較小光照情況下,加劇了載流子散射,導致相對更多的電子與空穴的復合造成的,因為1 μW/cm–2的光強對應1016cm–2·s–1的入射光子流密度[32],更高的光強下會有更多的光子入射到半導體的表面,也就會有更多的光生電子-空穴對產(chǎn)生,當達到一定的量時會有明顯的散射現(xiàn)象出現(xiàn)[32].

圖6 254 nm 波長紫外光輻照下,施加 (a) 正向偏壓與 (b) 負偏壓下的光電流與光強的關系圖.365 nm 波長紫外光輻照下,施加 (c) 正向偏壓與 (d) 負偏壓下的光電流與光強的關系圖Fig.6.The intensity dependent photocurrent at (a) positive voltages and (b) negative voltages under illumination of 254 nm UV light.The intensity dependent photocurrent at (c) positive voltages and (d) negative voltages under illumination of 365 nm UV light.

為了更好地闡釋異質(zhì)結(jié)光電探測器的載流子輸運機制,結(jié)合相應半導體的能帶位置[33,34],Ga2O3/Al0.1Ga0.9N 異質(zhì)結(jié)的能帶結(jié)構(gòu)示意圖如圖7 所示;當Ga2O3和Al0.1Ga0.9N 接觸時,由于電子的擴散運動,電子將從Ga2O3一側(cè)流向Al0.1Ga0.9N 一側(cè),并在接觸表面形成空間電荷區(qū),產(chǎn)生內(nèi)建電場.由于界面處會存在一定量的俘獲態(tài),接觸時電子會從Ga2O3一側(cè)流向Al0.1Ga0.9N 一側(cè),Ga2O3一側(cè)失去了電子導致電勢上升而能帶向上彎曲,界面處會在靠近Ga2O3一側(cè)俘獲一定量的電子形成耗盡區(qū),因此耗盡區(qū)位于靠近Ga2O3一側(cè).在無外部光源的激勵下,電子-空穴是相對匱乏的,此時的Idark相對低.當用254 nm 波長的紫外光照射時,光子能量大于Ga2O3和Al0.1Ga0.9N 禁帶寬度的光子會使得Ga2O3和Al0.1Ga0.9N 價帶的電子吸收足夠的能量進而躍遷到導帶.然而在365 nm 波長紫外光的照射下,其能量只能激發(fā)Al0.1Ga0.9N 價帶上的電子躍遷,故而254 nm 波長光照射產(chǎn)生的R大于365 nm 波長光照射產(chǎn)生的R.不同波長照射下產(chǎn)生的光生載流子被內(nèi)建電場迅速地分離,并被電極收集從而形成輸出的Iphoto.當施加正向偏壓時,耗盡區(qū)受到抑制,導致Iphoto增大;當施加反向偏壓時,耗盡區(qū)被增強,出現(xiàn)相反的情況,導致較低的反向漏電電流.

圖7 Ga2O3/Al0.1Ga0.9N 異質(zhì)結(jié)能帶結(jié)構(gòu)示意圖Fig.7.The band diagram of the Ga2O3/Al0.1Ga0.9N heterojunction photodetector.

4 結(jié)論

本文介紹了一個Ga2O3/Al0.1Ga0.9N 異質(zhì)結(jié),并以此來執(zhí)行紫外光探測.結(jié)果表明,該異質(zhì)結(jié)探測器能夠?qū)崿F(xiàn)雙波段、雙模式的光探測工作.異質(zhì)結(jié)界面處形成的內(nèi)建電場更是使得該異質(zhì)結(jié)探測器能夠在零偏壓下穩(wěn)定的自供電運行.在正偏壓和負偏壓驅(qū)動下,探測器都能對254 nm 波長紫外光和365 nm 波長紫外光展現(xiàn)出理想的光響應度.內(nèi)建電場的有效驅(qū)動使其能夠在無源時依然穩(wěn)定運行,對254 和365 nm 波長紫外光的光響應度分別為0.13 和0.01 mA/W.本工作系統(tǒng)介紹了基于寬禁帶半導體的異質(zhì)結(jié)紫外探測器的性能特征,并給出了響應的理論分析.整體而言,目前這個異質(zhì)結(jié)探測器的性能還存在很大的提升空間,比如界面優(yōu)化,材料生長質(zhì)量的改善,器件工藝的改進等.