Optimisasi Fotodetektor Polikristal Ga₂O₃ pada Safir: Dampak Penganalan Prak terhadap Kinerja Listrik

Abstrak

Efek penganalan prak terhadap properti fisik dan listrik fotodetektor ultraviolet solar-blind polikristal oksida galium (Ga₂O₃) pada substrat safir ditelikasi. Ukuran butir polikristal Ga₂O₃ menjadi lebih besar dengan peningkatan suhu penganalan prak (PAT) dari 800 °C menjadi 1000 °C, tetapi menjadi lebih kecil dengan peningkatan PAT lebih lanjut menjadi 1100 °C. Pergeseran biru diamati pada tepi serapan spektrum transmisi Ga₂O₃ pada safir dengan peningkatan PAT, karena integrasi Al dari substrat safir ke dalam Ga₂O₃ untuk membentuk (Al_xGa_1–x)₂O₃. Pengukuran difraksi sinar-X resolusi tinggi dan spektrum transmisi menunjukkan bahwa komposisi Al substitusional dan bandgap (Al_xGa_1–x)₂O₃ yang dianalisis pada 1100 °C dapat di atas 0,30 dan 5,10 eV, masing-masing. R_max sampel yang dianalisis pada 1000 °C meningkat sekitar 500% dibandingkan perangkat asli deposit, dan sampel yang dianalisis pada 1000 °C memiliki waktu naik dan waktu turun pendek sebesar 0,148 s dan 0,067 s, masing-masing. Penelitian ini dapat membuka jalan untuk pembuatan fotodetektor ultraviolet polikristal Ga₂O₃ dan menemukan metode untuk meningkatkan responsivitas dan kecepatan respons.

Latar Belakang

Fotodetektor solar-blind ultraviolet dalam (DUV) memiliki berbagai macam aplikasi seperti pemantauan lubang ozon dan deteksi nyala api dengan keuntungan inheren kemampuan anti-gangguan yang kuat [1]. Dibandingkan dengan materi semiconductornya tradisional seperti silikon dan geranium, materi semiconductornya bandgap lebar dianggap sebagai materi ideal untuk fotodetektor solar-blind yang memiliki selektivitas yang lebih baik untuk cahaya ultraviolet dan adaptabilitas yang lebih baik di lingkungan yang keras [2]. Banyak peneliti telah fokus pada AlGaN, MgZnO, dan Ga₂O₃ fotodetektor solar-blind DUV [2,3,4]. Ga₂O₃ menarik perhatian besar karena properti optik yang unggul, stabilitas kimia, dan kekuatan tinggi dengan bandgap 4,8 eV, yang merupakan materi yang menjanjikan untuk fotodetektor solar-blind [5,6,7,8,9,10,11,12,13]. Tipis film Ga₂O₃ telah diperoleh pada substrat asing oleh epitaksi beam molekuler (MBE) [5, 6], sputtering magnetron radio-frekuensi (RFMS) [7], deponasi laser terpacu (PLD) [8, 9], deponasi lapisan atom (ALD) [10], epitaksi fase uap halogenida (HVPE) [11], deposisi kimia uap organo-metalik (MOCVD) [12], dan metode sol-gel [13]. Di antara metode ini, deponasi RFMS telah banyak digunakan untuk membuat berbagai film karena keuntungannya dalam kontrol yang mudah, efisiensi tinggi, tidak berbahaya, dan biaya rendah. Oleh karena itu, kami menggunakan metode ini untuk menumbuhkan tipis film Ga₂O₃ untuk fotodetektor solar-blind DUV.

Dalam penelitian ini, fotodetektor solar-blind polikristal Ga₂O₃ dibuat pada substrat safir. Ditunjukkan bahwa atom Al terintegrasi dari substrat safir ke dalam Ga₂O₃ untuk membentuk (Al_xGa_1–x)₂O₃ setelah penganalan termal prak. Properti struktural, komposisi Al substitusional x, properti optik, dan kinerja fotodetektor polikristal (Al_xGa_1–x)₂O₃ dengan berbagai suhu penganalan prak (PAT) ditelikasi.

Metode

Dalam eksperimen ini, tipis film polikristal Ga₂O₃ ditumbuhkan pada substrat safir berorientasi (0006) yang dipoles satu sisi oleh RFMS pada 600 °C dengan daya sputtering 120 W. Tekanan kerja dipertahankan konstan pada 5 mTorr dan aliran argon adalah 20 sccm selama deponasi. Ketebalan film yang dit deposit pada safir diukur sekitar 164 nm. Setelah deponasi, penganalan termal prak dilakukan dalam atmosfer udara selama 1 jam pada 800 °C, 900 °C, 1000 °C, dan 1100 °C. Setelah analisis, sampel didinginkan ke suhu ruang dengan kecepatan 100 °C/min. Kemudian 30 nm Ti dan 80 nm Ni di deposit oleh sputtering magnetron sebagai elektrode. Setelah pola elektroda interdigital dan pengikisan, kontak logam pada Ga₂O₃ dibentuk oleh penganalan termal cepat pada 470 °C dalam atmosfer nitrogen [14]. Fotodetektor solar-blind polikristal Ga₂O₃ yang dibuat memiliki elektroda interdigital logam-semikonductor-logam (MSM) seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1. Panjang, lebar, dan jarak di antara jari-jari adalah 500 μm, 6 μm, dan 15 μm, masing-masing, dan panjang total jari-jari adalah 1,8 cm.

Hasil dan Pembahasan

Properti struktural film Ga₂O₃ ditelikasi oleh difraksi sinar-X resolusi tinggi (HRXRD). Gambar 2 menyajikan kurva HRXRD untuk sampel asli deposit dan yang dianalisis pada berbagai suhu. Puncak yang sesuai dengan bidang \( \left(\overline{2}01\right) \), (400), (111), \( \left(\overline{4}02\right) \), (600), (510), dan \( \left(\overline{6}03\right) \) kristal β-Ga₂O₃ [15] menunjukkan bahwa film Ga₂O₃ terdiri dari polikristal β-Ga₂O₃ monoklinik dengan orientasi acak. Sampel asli deposit menunjukkan intensitas puncak yang lebih tinggi untuk bidang (400) dibandingkan bidang lainnya. PAT mengarah pada peningkatan intensitas bidang \( \left(\overline{2}01\right) \), (400), \( \left(\overline{4}02\right) \), dan \( \left(\overline{6}03\right) \).

Gambar 3a dan b fokus pada puncak HRXRD untuk bidang \( \left(\overline{2}01\right) \) dan \( \left(\overline{6}03\right) \), masing-masing. Lebar setengah maksimum (FWHM) puncak digunakan untuk menghitung ukuran butir dengan menyelesaikan rumus Debye-Scherrer [16] untuk mengevaluasi ketergantungan kualitas kristal film Ga₂O₃ pada PAT. Terlihat dari Tabel 1 bahwa suhu analisis yang lebih tinggi menghasilkan ukuran butir yang lebih besar seiring peningkatan PAT dari 800 °C menjadi 1000 °C, tetapi ukuran butir sedikit menurun pada PAT 1100 °C. Difusi Al dari substrat Al₂O₃ ke film Ga₂O₃ yang mengalami PAT di atas 1000 °C telah banyak diamati [17,18,19]. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3c, puncak HRXRD bergeser ke sudut difraksi yang lebih tinggi karena Al dari substrat safir difusi ke dalam film Ga₂O₃ untuk membentuk (Al_xGa_1–x)₂O₃ setelah analisis.

Berdasarkan hukum Bragg, jarak bidang d dari bidang \( \left(\overline{2}01\right) \) dan \( \left(\overline{6}03\right) \) dari (Al_xGa_1–x)₂O₃ dihitung dan ditunjukkan pada Gambar 3d, masing-masing. Menurut Ref. [20], parameter jaringan dapat dihitung dengan a = (12,21 − 0,42x) Å, b = (3,04 − 0,13x) Å, c = (5,81 − 0,17x) Å, β = (103,87 + 0,31x)°. d dari \( \left(\overline{6}03\right) \) dinyatakan sebagai [21]

$$ \frac{1}{d^2}=\frac{h^2}{a^2{\sin}^2\beta }+\frac{k^2}{b^2}+\frac{l^2}{c^2{\sin}^2\beta }-\frac{2 hl\cos \beta }{ac\sin^2\beta }, $$ (1)

di mana h = -6, k = 0, dan l = 3. Berdasarkan nilai pada Gambar 3d, nilai x dari polikristal (Al_xGa_1–x)₂O₃ dapat diperoleh. Bandgap E_g dari (Al_xGa_1–x)₂O₃ dapat dihitung dengan

$$ {E}_{\mathrm{g}}(x)=\left(1-x\right){E}_{\mathrm{g}}\left[{Ga}_2{O}_3\right]+{xE}_{\mathrm{g}}\left[{Al}_2{O}_3\right]- nx\left(1-x\right), $$ (2)

di mana E_g [Ga₂O₃] = 4,65 eV, E_g [Al₂O₃] = 7,24 eV, n = 1,87 eV [22]. Nilai x dan E_g yang dihitung dari polikristal (Al_xGa_1–x)₂O₃ ditunjukkan pada Tabel 2. Nilai x di atas 0,30 dicapai pada sampel setelah PAT pada 1100 °C.

Gambar mikroskop gaya atom (AFM) pada Gambar 4 menunjukkan bahwa nilai kekasaran permukaan root-mean-square (RMS) film asli deposit dan sampel yang dianalisis pada 800 °C dan 900 °C adalah 3,62 nm, 10,1 nm, dan 14,1 nm, masing-masing. Recristalisasi yang disebabkan oleh PAT tinggi menghasilkan ukuran butir yang lebih besar, yang dapat dikonfirmasi lebih lanjut oleh permukaan yang lebih kasar.

Nilai E_g dari tipis film (Al_xGa_1–x)₂O₃ sebelum dan setelah analisis dikarakterisasi dengan mengukur spektrum transmisi. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5a, sampel yang dianalisis memiliki pergeseran biru pada tepi serapan dibandingkan asli deposit. λ yang lebih pendek diperoleh dengan peningkatan PAT, karena integrasi Al. Sampel Ga₂O₃ memiliki transmisi yang sangat rendah bahkan dalam rentang cahaya tampak, yang mungkin disebabkan oleh serapan kompleks nonradiatif yang diinduksi oleh cacat dalam materi. Koefisien serapan α film dihitung oleh [23, 24]

$$ \alpha =\left(1/t\right)\ln \left[{\left(1-r\right)}^2/T\right], $$ (3)

di mana T adalah transmisi, r adalah refleksi, dan t adalah ketebalan film. Hubungan antara koefisien serapan α dan energi foton insiden hν mengikuti hukum kekuatan dalam bentuk

$$ \left(\alpha h\nu \right)=B{\left( h\nu -{E}_{\mathrm{g}}\right)}^{1/2}, $$ (4)

di mana B adalah parameter lebar tepi serapan [23]. Dengan menggunakan rumus ini, hubungan antara hν dan (αhν)² dapat diperoleh seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5b. Dengan mengekstrapolasi region linier plot ke sumbu horizontal, nilai E_g sampel dievaluasi sebesar 4,65 eV, 4,72 eV, 4,78 eV, 4,81 eV, dan 5,10 eV. Seperti yang ditunjukkan pada Tabel 2, nilai E_g eksperimental sampel konsisten dengan yang dihitung berdasarkan hasil HRXRD.

Untuk meneliti responsivitas R dan fotolistrik I_photo fotodetektor polikristal (Al_xGa_1–x)₂O₃, pengukuran optik dilakukan dengan berbagai panjang gelombang penerangan λ dari 220 hingga 300 nm dengan P_light sebesar 0,5 mW/cm². R dihitung dengan

$$ R=\left({I}_{\mathrm{photo}}-{I}_{\mathrm{dark}}\right)/\left({P}_{\mathrm{light}}S\right), $$ (5)

di mana I_dark adalah arus gelap dan S adalah area penerangan efektif. Gambar 6 menunjukkan pergeseran biru pada R maksimum sampel yang dianalisis dibandingkan film asli deposit. Ini membuktikan bahwa E_g yang lebih besar dari sampel polikristal telah diperoleh setelah analisis dengan difusi Al dari substrat safir ke dalam Ga₂O₃ untuk membentuk (Al_xGa_1–x)₂O₃. R_max perangkat yang dianalisis pada 1100 °C adalah 35 μA/W, yang lebih kecil daripada 0,037 A/W, 0,903 A/W, dan 1,13 mA/W yang masing-masing ditumbuhkan oleh MBE [5], PLD [25], dan metode sol-gel [26], karena fakta bahwa polikristal Ga₂O₃ memiliki transmisi rendah, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5a. Namun, dibandingkan perangkat asli deposit, R_max perangkat yang dianalisis pada 1000 °C meningkat sekitar 500%. Perlu diperhatikan bahwa R perangkat menurun pada panjang gelombang yang lebih pendek daripada pada R_max, mirip dengan pada [27]. Ini mungkin disebabkan oleh kehilangan energi yang terjadi selama proses relaksasi pembawa muatan jika energi foton di atas E_g materi. Peningkatan R_max seiring kenaikan PAT dari 800 °C menjadi 1000 °C dikaitkan dengan peningkatan ukuran butir film.

Gambar 7 menunjukkan fotolistrik I_photo, arus gelap I_dark, dan PDCR versus tegangan bias V_bias untuk fotodetektor di bawah intensitas penerangan 0,5 mW/cm² dan λ 254 nm. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 7a, I_photo meningkat hampir linier dengan V_bias. Selain itu, seiring PAT naik dari 800 °C menjadi 1000 °C, fotodetektor mendapatkan I_photo yang lebih besar. Namun, I_photo perangkat yang dianalisis pada 1100 °C lebih rendah daripada sampel asli deposit, karena energi foton lebih kecil daripada bandgap sampel yang dianalisis pada 1100 °C, yang tidak dapat menghasilkan pembawa foton. Sampel yang dianalisis menunjukkan I_dark yang lebih tinggi daripada sampel asli deposit, seperti digambarkan pada Gambar 7b. Diduga bahwa recristalisasi meningkatkan konduktivitas polikristal Ga₂O₃, sehingga meningkatkan baik I_photo maupun I_dark fotodetektor, dan PDCR sampel dengan PAT 1000 °C lebih tinggi daripada sampel lainnya. Terlihat bahwa arus gelap sampel yang dianalisis pada 900 °C lebih besar daripada yang lain, yang dapat disebabkan oleh peningkatan pembawa muatan seiring PAT meningkat, tetapi dengan PAT lebih lanjut, interdifusi Al dan Ga terjadi pada substrat safir, sehingga merusak konduktivitas film [17].

Karakteristik respons cahaya fotodetektor digambarkan pada Gambar 8a. Penerangan dengan λ 254 nm digunakan selama pengukuran. P_light, V_bias, dan periode adalah 0,5 mW/cm², 5 V, dan 5 s, masing-masing. Terdapat dua prosedur proses naik dan turun: respons cepat dan respons lambat. Secara umum, komponen respons cepat dapat dikaitkan dengan perubahan cepat konsentrasi pembawa muatan segera setelah cahaya dinyalakan/dimatikan [28], sementara pembawa muatan yang dihasilkan cahaya mungkin terperangkap oleh tingkat cacat dalam bandgap, yang dapat menunda pengumpulan pembawa muatan selama penerangan UV dan rekombinasi saat cahaya dimatikan, menghasilkan komponen respons lambat. Untuk studi perbandingan kuantitatif fotodetektor yang dianalisis pada berbagai suhu, proses naik dan turun dapat dipasangkan dengan persamaan relaksasi bieksponensial dari jenis berikut [29]:

$$ I={I}_0+{Ce}^{-t/{\tau}_1}+{De}^{-t/{\tau}_2}, $$ (6)

di mana I₀ adalah arus foton steady-state, t adalah waktu, C dan D adalah konstanta, τ₁ dan τ₂ adalah dua konstanta waktu relaksasi. Waktu naik τ_r1 dan τ_r2 masing-masing sesuai dengan respons cepat dan respons lambat, dan waktu turun τ_d1 dan τ_d2 dari setiap fotodetektor dihitung, seperti yang ditunjukkan pada Tabel 3. Terlihat jelas bahwa waktu respons menurun setelah proses analisis. Waktu naik τ_r1 berkurang dari 0,215 s menjadi 0,148 s, dan waktu turun τ_d1 berkurang dari 0,133 menjadi 0,067 s. Ini dikaitkan dengan fakta bahwa proses analisis mengurangi konsentrasi rongga oksigen dalam film polikristal Ga₂O₃ [28]. Transisi langsung menjadi sumber utama pembawa muatan tidak seimbang yang dihasilkan cahaya, sehingga waktu respons cepat berkurang. Waktu turun τ_d2 berkurang dari 1,072 menjadi 0,634 s, menunjukkan bahwa ada lebih sedikit rongga oksigen dan cacat lainnya dalam sampel yang dianalisis juga, karena konstanta waktu penurunan transien umumnya dikendalikan oleh jebakan ini. Lebih lanjut, peningkatan ukuran butir dengan PAT dapat mengurangi waktu transportasi pembawa muatan cahaya, meningkatkan properti relaksasi perangkat.

Tabel 4 menunjukkan perbandingan I_dark, waktu naik (τ_r), dan waktu turun (τ_d) fotodetektor solar-blind berdasarkan tipis film β-, α-, dan ε-Ga₂O₃ yang disintesis oleh RFMS [30] dan teknik lainnya [2, 6, 26, 31,32,33,34]. Seperti yang terlihat, perangkat yang memiliki arus gelap rendah dan waktu respons cepat adalah sulit, tetapi fotodetektor yang kami buat menyajikan arus gelap rendah dan waktu respons cepat.

Kesimpulan

Secara ringkasan, kami men deposit tipis film polikristal Ga₂O₃ oleh sputtering magnetron pada substrat safir bidang c dengan penganalan termal prak pada berbagai suhu; kemudian, fotodetektor ultraviolet polikristal Ga₂O₃ dibuat. Dibandingkan tipis film Ga₂O₃ asli deposit, sampel yang dianalisis memiliki ukuran butir yang lebih besar dan bandgap yang lebih lebar karena recristalisasi dan difusi Al ke dalam Ga₂O₃. R_max perangkat yang dianalisis pada 1000 °C meningkat sekitar 500% dibandingkan perangkat asli deposit, dan sampel yang dianalisis pada 1000 °C menunjukkan arus gelap rendah sebesar 0,0033 nA pada tegangan bias 5 V. Lebih lanjut, fotodetektor solar-blind yang dibuat pada film yang dianalisis pada 1000 °C menunjukkan waktu respons cepat, dengan waktu naik dan turun sebesar 0,148 s dan 0,067 s, masing-masing. Hasil ini berguna untuk membuat fotodetektor DUV dengan arus gelap rendah dan waktu respons cepat.

Ketersediaan Data dan Bahan

Data-set yang mendukung kesimpulan artikel ini termasuk dalam artikel.

Singkatan

Ga₂O₃ :

Oksida galium

PAT:

Suhu penganalan prak

DUV:

Ultraviolet dalam

MBE:

Epitaksi beam molekuler

RFMS:

Sputtering magnetron radio-frekuensi

PLD:

Deponasi laser terpacu

ALD:

Deponasi lapisan atom

HVPE:

Epitaksi fase uap halogenida

MOCVD:

Deposisi kimia uap organo-metalik

MSM:

Logam-semikonductor-logam

HRXRD:

Difraksi sinar-X resolusi tinggi

FWHM:

Lebar setengah maksimum

AFM:

Mikroskop gaya atom

RMS:

Akar rata-rata kuadrat