Pengaruh Post Annealing pada Kinerja Listrik Fotodetektor Polikristalin Ga2O3 pada Safir

Hasil dan Diskusi

Sifat struktural dari Ga₂ O₃ film diselidiki dengan difraksi sinar-X resolusi tinggi (HRXRD). Gambar 2 menyajikan kurva HRXRD untuk sampel yang diendapkan dan dianil pada suhu yang berbeda. Puncak sesuai dengan \( \left(\overline{2}01\right) \), (400), (111), \( \left(\overline{4}02\right) \), (600), ( 510), dan \( \left(\overline{6}03\right) \) bidang -Ga₂ O₃ kristal [15] mengungkapkan bahwa Ga₂ O₃ film terdiri dari monoklinik -Ga₂ O₃ polikristalin dengan orientasi acak. Sampel yang diendapkan menunjukkan intensitas puncak yang lebih tinggi untuk bidang (400) dibandingkan dengan bidang lainnya. PAT mengarah pada peningkatan intensitas \( \left(\overline{2}01\right) \), (400), \( \left(\overline{4}02\right) \), dan \ ( \left(\overline{6}03\right) \) pesawat.

Puncak XRD sampel tanpa dan dengan post thermal annealing pada suhu yang berbeda

Gambar 3a dan b fokus pada puncak HRXRD untuk \( \left(\overline{2}01\right) \) dan \( \left(\overline{6}03\right) \), masing-masing. Lebar penuh pada setengah maksimum (FWHM) dari puncak digunakan untuk menghitung ukuran butir dengan memecahkan rumus Debye-Scherrer [16] untuk mengevaluasi ketergantungan kualitas kristal Ga₂ O₃ film di PAT. Dapat dilihat dari Tabel 1 bahwa suhu annealing yang lebih tinggi menghasilkan ukuran butir yang lebih besar karena PAT meningkat dari 800 °C menjadi 1000 °C, tetapi ukuran butir sedikit menurun pada PAT 1100 °C. Difusi Al dari Al₂ O₃ substrat menjadi Ga₂ O₃ film menjalani PAT di atas 1000 °C telah banyak diamati [17,18,19]. Seperti ditunjukkan pada Gambar. 3c, puncak HRXRD bergeser ke sudut difraksi yang lebih tinggi karena Al dari substrat safir berdifusi ke Ga₂ O₃ film untuk dibentuk (Al_x Ga_1–x )₂ O₃ setelah anil.

Puncak XRD dari a \( \left(\overline{2}01\right) \) pesawat dan b \( \left(\overline{6}03\right) \) bidang sampel sebelum dan sesudah anil. c posisi puncak dan d spasi bidang \( \left(\overline{2}01\right) \) dan \( \left(\overline{6}03\right) \) bidang

Berdasarkan hukum Bragg, jarak bidang d dari \( \left(\overline{2}01\right) \) dan \( \left(\overline{6}03\right) \) bidang (Al_x Ga_1–x )₂ O₃ dihitung dan ditunjukkan pada Gambar. 3d, masing-masing. Menurut Ref. [20], parameter kisi dapat dihitung dengan a =(12,21 0,42x ) , b =(3,04 0,13x ) , c =(5,81 0,17x ) , β =(103,87 + 0,31x )°. d dari \( \left(\overline{6}03\right) \) dinyatakan sebagai [21]

dimana h =-6, k =0, dan l =3. Berdasarkan nilai pada Gambar 3d, x dari poli-(Al_x Ga_1–x )₂ O₃ dapat dicapai. Celah pita E _g dari (Al_x Ga_1–x )₂ O₃ dapat dihitung dengan

dimana E _g [Ga₂ O₃ ] =4,65 eV, E _g [Al₂ O₃ ] =7,24 eV, n =1,87 eV [22]. x . yang dihitung dan E _g nilai poli-(Al_x Ga_1–x )₂ O₃ ditunjukkan pada Tabel 2. Sebuah x nilai di atas 0,30 dicapai dalam sampel setelah PAT pada 1100 °C.

Gambar mikroskop gaya atom (AFM) pada Gambar. 4 menunjukkan bahwa nilai kekasaran akar rata-rata permukaan (RMS) dari film yang diendapkan dan sampel yang dianil pada 800 °C dan 900 °C adalah 3,62 nm, 10,1 nm, dan 14.1 nm, masing-masing. Rekristalisasi yang disebabkan oleh PAT tinggi menghasilkan ukuran butir yang lebih besar, yang juga dapat dikonfirmasi oleh permukaan yang lebih kasar.

Gambar AFM dari a poli-Ga yang disetorkan₂ O₃ pada safir, b sampel dianil pada 800 °C, dan c 900 °C

Nilai E _g dari (Al_x Ga_1–x )₂ O₃ film tipis sebelum dan sesudah anil dicirikan dengan mengukur spektrum transmitansi. Seperti ditunjukkan pada Gambar. 5a, sampel anil memiliki pergeseran biru di tepi penyerapan dibandingkan dengan yang diendapkan. λ . yang lebih pendek diperoleh dengan peningkatan PAT, karena penggabungan Al. Ga₂ O₃ sampel memiliki transmitansi yang sangat rendah bahkan dalam rentang yang terlihat, yang mungkin disebabkan oleh penyerapan kompleks nonradiatif yang disebabkan oleh cacat pada bahan. Koefisien penyerapan α jumlah film dihitung dengan [23, 24]

a Spektrum transmisi as-deposited dan annealed poly-(Al_x Ga_1–x )₂ O₃ contoh b (α hν ) ² vs. hν kurva untuk poli-Ga₂ O₃ sampel. Ekstrapolasi daerah linier ke sumbu horizontal memperkirakan E _g nilai

dimana T adalah transmitansi, r adalah reflektansi, dan t adalah ketebalan film. Hubungan antara koefisien penyerapan α dan energi foton kejadian hν mengikuti bentuk hukum kekuasaan

dimana B adalah parameter lebar tepi serapan [23]. Dengan menggunakan rumus ini, hubungan antara hν dan (α hν ) ² dapat diperoleh seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 5b. Dengan mengekstrapolasi daerah linier plot ke sumbu horizontal, E _g nilai sampel dievaluasi sebagai 4.65 eV, 4.72 eV, 4.78 eV, 4.81 eV, dan 5.10 eV. Seperti yang ditunjukkan pada Tabel 2, eksperimen E _g nilai sampel konsisten dengan yang dihitung berdasarkan hasil HRXRD.

Untuk menyelidiki respons R dan arus foto I _foto dari poli-(Al_x Ga_1–x )₂ O₃ fotodetektor, pengukuran optik bervariasi iluminasi yang berbeda λ dari 220 hingga 300 nm dengan P _ringan 0,5 mW/cm ² . R dihitung dengan

dimana Aku _gelap adalah arus gelap dan S adalah daerah iluminasi efektif. Gambar 6 menunjukkan pergeseran biru yang terlihat di maksimum R sampel anil dibandingkan dengan film yang diendapkan. Ini membuktikan bahwa E . yang lebih besar _g sampel polikristalin diperoleh setelah anil dengan difusi Al dari substrat safir ke dalam Ga₂ O₃ untuk membentuk (Al_x Ga_1–x )₂ O₃ . R _maks perangkat yang dianil pada 1100 °C adalah 35 μA/W, yang lebih kecil dari 0,037 A/W, 0,903 A/W, dan 1,13 mA/W yang ditumbuhkan oleh MBE [5], PLD [25], dan sol -gel metode [26], masing-masing, karena fakta bahwa poli-Ga₂ O₃ memiliki transmitansi rendah, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 5a. Tapi dibandingkan dengan perangkat yang disimpan, R _maks perangkat yang dianil pada 1000 °C meningkat sekitar 500%. Perlu dicatat bahwa R perangkat berkurang pada panjang gelombang yang lebih pendek dari pada R _maks , mirip dengan [27]. Hal ini dapat disebabkan oleh hilangnya energi yang terjadi selama proses relaksasi pembawa jika terjadi energi foton di atas E _g dari bahan. R _maks meningkat dengan PAT naik dari 800 °C ke 1000 °C dikaitkan dengan peningkatan ukuran butir film.

R versus optik iluminasi λ untuk poli-(Al_x Ga_1–x )₂ O₃ fotodetektor di V _bias dari 5 V

Gambar 7 menunjukkan arus foto I _foto , arus gelap I _gelap , dan PDCR versus tegangan bias V _bias untuk fotodetektor di bawah intensitas iluminasi 0,5 mW/cm ² dan λ dari 254 nm. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 7a, I _foto meningkat hampir secara linier dengan V _bias . Selanjutnya, saat PAT meningkat dari 800 °C menjadi 1000 °C, fotodetektor memperoleh I yang lebih besar _foto . Tapi aku _foto perangkat yang dianil pada 1100 °C lebih rendah daripada sampel yang diendapkan, karena energi foton kurang dari bangap sampel yang dianil pada 1100 °C, yang tidak dapat menghasilkan pembawa foto. Sampel anil menunjukkan I . yang lebih tinggi _gelap daripada sampel yang diendapkan, seperti yang digambarkan pada Gambar. 7b. Diperkirakan bahwa rekristalisasi meningkatkan konduktivitas poli-Ga₂ O₃ , menghasilkan peningkatan keduanya I _foto dan Aku _gelap fotodetektor, dan PDCR sampel dengan PAT 1000 °C lebih tinggi daripada sampel lainnya. Dapat dicatat bahwa arus gelap sampel yang dianil pada 900 °C lebih besar daripada yang lain, yang dapat dianggap berasal dari pembawa yang meningkat dengan peningkatan PAT, tetapi dengan peningkatan PAT lebih lanjut, interdifusi Al dan Ga terjadi pada substrat safir, sehingga merusak konduktivitas film [17].

a Aku _foto -V _bias , b Aku _gelap -V _bias , dan c Karakteristik PDCR dari poli-(Al_{x . yang disimpan sebagai deposit)} Ga_1–x )₂ O₃ film dan sampel yang dianil pada suhu yang berbeda di bawah intensitas penerangan 0,5 mW/cm ² dan λ dari 254 nm

Karakteristik fotorespons fotodetektor digambarkan pada Gambar 8a. Penerangan dengan λ 254 nm digunakan selama pengukuran. P _ringan , V _bias , dan periodenya adalah 0,5 mW/cm ² , 5 V, dan 5 s, berturut-turut. Ada dua prosedur proses naik dan turun:respons cepat dan respons lambat. Umumnya, komponen respon cepat dapat dikaitkan dengan perubahan cepat konsentrasi pembawa segera setelah lampu dinyalakan/dimatikan [28], sedangkan pembawa foto yang dihasilkan mungkin terjebak oleh tingkat cacat di celah pita, yang bisa menunda pengumpulan pembawa selama iluminasi UV dan rekombinasi saat lampu dimatikan, menghasilkan komponen respons lambat. Untuk studi perbandingan kuantitatif dari fotodetektor yang dianil pada suhu yang berbeda, proses naik dan turun dapat dilengkapi dengan persamaan relaksasi bieksponensial dari jenis berikut [29]:

a Ketergantungan waktu dari karakteristik respons foto b waktu naik dan turun

dimana Aku ₀ adalah arus foto kondisi tunak, t adalah waktunya, C dan D adalah konstanta, τ ₁ dan τ ₂ adalah dua konstanta waktu relaksasi. Waktu terbit τ _r1 dan τ _r2 sesuai dengan respons cepat dan respons lambat, masing-masing, dan waktu peluruhan τ _d1 dan τ _d2 dari masing-masing fotodetektor dihitung, seperti yang ditunjukkan pada Tabel 3. Terlihat jelas bahwa waktu respon menurun setelah proses annealing. Waktu terbit τ _r1 dikurangi dari 0.215 s menjadi 0.148s, dan waktu peluruhan τ _d1 berkurang dari 0,133 menjadi 0,067 s. Hal ini dianggap berasal dari fakta bahwa proses anil mengurangi konsentrasi kekosongan oksigen dalam poli-Ga₂ O₃ film [28]. Transisi langsung menjadi sumber utama pembawa tidak seimbang yang dihasilkan oleh foto, sehingga waktu respons cepat berkurang. Waktu peluruhan τ _d2 menurun dari 1,072 menjadi 0,634 s, menunjukkan bahwa ada lebih sedikit kekosongan oksigen dan cacat lain dalam sampel anil juga, karena konstanta waktu peluruhan transien umumnya diatur oleh perangkap ini. Selanjutnya, peningkatan ukuran butir dengan PAT dapat mengurangi waktu transportasi pembawa foto, meningkatkan sifat waktu relaksasi perangkat.

Tabel 4 menunjukkan perbandingan I _gelap , waktu terbit (τ _r ), dan waktu peluruhan (τ _d ) fotodetektor solar-blind berdasarkan -, -, dan -Ga₂ O₃ film tipis disintesis oleh RFMS [30] dan teknik lainnya [2, 6, 26, 31,32,33,34]. Seperti yang terlihat, perangkat memiliki arus gelap yang rendah dan waktu respons yang cepat sulit dilakukan, tetapi fotodetektor yang kami buat menyajikan arus gelap yang rendah dan waktu respons yang cepat.