具有大光電導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) (南京郵電大學集成電路科學與工程學院,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合工程實驗室,南京 210023)

3) (中國運載火箭技術研究院,北京 100076)

4) (金陵科技學院電子信息工程學院,南京 211169)

5) (清華大學集成電路學院,北京 100084)

6) (中北大學儀器與電子學院,動態測試技術國家重點實驗室,太原 030051)

7) (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)

氧化鎵在深紫外探測方面具有天然的材料優勢,鑒于探測器陣列在光學成像等領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構的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氣相沉積技術生長得到,器件的加工通過紫外光刻、剝離和離子束濺射技術完成.由此得到的氧化鎵薄膜結晶度高且表面均勻.探測器具有優異的深紫外光響應特性,光響應度可達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用前景的角度說明了氧化鎵深紫外探測器陣列的巨大應用潛力.

1 引言

由于陣列成像器在諸多領域的重要應用,相關研究與發展也得到了學術界與工業界越來越多的重視[1,2].成像探測器能將光學圖像通過光電效應轉換為可以便宜分析識別的電學信號[3,4].在每一種器件制備的過程中,材料的選擇對于實現優異的器件性能至關重要[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鍵因素.作為一種典型的寬禁帶半導體氧化物半導體,氧化鎵(Ga2O3)在制備深紫外探測器方面得到了越來越多的關注;這得益于紫外探測器在軍民兩用領域大量的實際應用需求[7-9],以及Ga2O3本身的許多優異材料特性[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于電磁波譜中的深紫外波段[11,12].

從目前的發展現狀來看,已經有多種結構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]設計了16×4 的Ga2O3線性陣列探測器,其光響應度(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標準偏差為10%左右.Tak等[15]在其陣列探測器中實現了9.1×10—16A/Hz的超低噪聲和88.5 dB的線性動態范圍(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準偏差給出解決方案.此外,Ga2O3陣列探測器的成像應用[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.在之前的研究中[16],4×4 的矩形Ga2O3陣列探測器展現出了634.15 A/W 的高響應度以及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的標準偏差將近20%.對于其在光學成像中的應用而言,高的光響應度、快速的響應以及低的標準偏差都是必不可少的關鍵參數[23].

本工作通過使用金屬有機化學氣相沉積(metalorganic chemical vapor deposition,MOCVD)技術來制備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半導體測試設備完成,包括電流-電壓(I-V)特性曲線以及動態光響應特性(I-t).

2 實驗方法

本文中所使用的Ga2O3薄膜由金屬有機化學氣相沉積(metal-organic chemical vapor deposition,MOCVD)技術制備得到[24,25],制備的腔室溫度與氣壓分別為760 ℃和25 Torr (1 Torr=1.33×102Pa),在生長過程中根據安托萬方程(Antoine’s equation)[26],氧與鎵[O/Ga]的摩爾質量比約為1650.Ga2O3薄膜晶體的晶體質量(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、剝離技術以及離子束濺射等手段實現.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)曲線和動態響應(I-t)曲線,通過半導體測試設備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控.

3 結果分析

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.這些結果表明這里制備的Ga2O3薄膜具有良好的晶體質量,這是制備優異性能器件的十分關鍵的材料基礎[29].對于一般的半導體材料而言,光學帶隙與吸收系數之間滿足Tauc 關系式,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,hv為入射光子能,B是常量,Eg為光學帶隙.通過對 (αhv)2與光子能hv的關系曲線采用外推法(如圖1(d)所示)可以得出Ga2O3薄膜的Eg約為4.89 eV.從上述的參數來看,本工作中所制備的優質Ga2O3薄膜為實現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,內插圖為(αhv)2和hv 的函數曲線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,其平面結構示意圖如圖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構示意圖;(b) 圖(a)藍色框內探測器陣列的結構示意圖;(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,這是關乎探測器件靈敏性的關鍵參數.一般來說,通常利用光響應參數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I-V 特性曲線;(c)光電流與光強的關系圖;(d)動態響應圖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)的深紫外光響應特性指標優異.從圖3(b)所示的對數形式的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如此大的比值主要得益于入射光子對Ga2O3半導體中載流子的有效激發,探測器的光響應性能佳.圖3(c)為Iphoto隨光強變化的關系圖,根據冪律定律[33]:

本工作中,θ為0.683,說明Iphoto與入射光光強是近線性關系,隨著光強的增大,Iphoto并沒有隨著線性提高(θ為1 時,為標準的線性關系);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的同樣體積的材料中,出現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過多的電子與空穴復合的現象[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,探測器的瞬態光響應特性圖;可以看出,在所有光強的光照射下探測器均能展現穩定且可重復的光開關特性;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動下(10 V)更強光強的入射光能夠激發更多的光生電子-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,t為時間,τ為弛豫時間常數;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,當考慮所有入射光子都被探測器表面所吸收(即認為內量子效率為100%),光電導增益(gain,G)依據如下定義: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,激發光生載流子后被探測器的電極所收集的載流子數;用以著重描述由于光激發而生成的電子-空穴對當中,通過探測器中的電極與半導體接觸部分的載流子數;因此可以根據實驗數據得出本工作中的G為12900,一般探測器的量子效率不會大于1,但是在外加電壓驅動下,一個入射光子不僅僅激發一個光生載流子時,就會出現EQE 大于1 的情況,同時會出現光生載流子的倍增現象.假設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合之前在電路中持續運動的時間比較長而導致的;對于n 型半導體材料Ga2O3而言,作為少數載流子的空穴會在Ga2O3薄膜材料中被束縛以至不能迅速地與非平衡狀態下的多數載流子電子發生復合,致使電子在這個過程中出現在電極間循環傳輸的現象,這種現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光電導效應[36],會嚴重影響到探測器的響應速度.因此,能夠在高光響應(響應度與增益)與快速響應之間找到折衷的優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 以及加工工藝的穩定性,這為探測器陣列在如光學成像等實際應用領域提供了堅實的基礎.

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計數值Fig.4.The statistic photo and dark current of the 16 photodetector cells at 10 V,under the illuminations with various light intensities.

4 結論

本文報道了具有高深紫外光響應性能的Ga2O3探測器陣列器件.得益于較好的薄膜晶體質量與加工工藝的穩定性,探測器陣列的光響應度為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,綜合性能優異.這些結果證明了本文介紹的器件具備優異的性能和執行深紫外光探測的巨大潛力,以及在光學成像領域獲得進一步發展的基礎.探測器作為光學成像系統中的核心元件,除高的光響應性能外,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鍵,然而這類器件對材料的大面積均勻性和加工工藝的穩定性要求更高,有待在后續工作中加以解決.