退火溫度對(duì)氧化鎵薄膜及紫外探測(cè)器性能的影響*

落巨鑫 高紅麗 鄧金祥 任家輝 張慶 李瑞東 孟雪

(北京工業(yè)大學(xué)理學(xué)部物理系,北京 100124)

采用射頻磁控濺射法在石英基底上制備Ga2O3 薄膜,并在氬氣氣氛中控制不同的退火溫度進(jìn)行后退火,通過(guò)對(duì)樣品的晶體結(jié)構(gòu)、透射率、表面形貌和光學(xué)帶隙等性質(zhì)進(jìn)行測(cè)試分析,發(fā)現(xiàn)退火工藝可以提升薄膜的結(jié)晶質(zhì)量,但同時(shí)高溫退火也容易使得薄膜中的氧元素逸出薄膜外形成氧空位,選取800 ℃ 退火后樣品制備成金屬-半導(dǎo)體-金屬(metal-semiconductor-metal,MSM)型光電探測(cè)器件,并與未退火樣品器件對(duì)比發(fā)現(xiàn)在1.1 V 的反向偏壓下,800 ℃ 的光暗電流比為 1021.3、響應(yīng)度為0.106 A/W、比探測(cè)率為1.61 × 1012 Jones,分別是未退火器件的7.5,195 和38.3 倍,外量子效率相較于未退火樣品提升了51.6%,上升時(shí)間(0.19/0.48 s)相較于未退火樣品(0.93/0.93 s)減小,下降時(shí)間(0.64/0.72 s)與未退火樣品(0.45/0.49 s)相比有所增大,表明氧空位的增加可以減緩光生載流子的復(fù)合來(lái)達(dá)到延長(zhǎng)載流子壽命的效果,最后詳細(xì)分析了退火后氧空位的增多導(dǎo)致探測(cè)器性能參數(shù)提高的機(jī)理.

1 引言

日盲光電探測(cè)器(吸收波長(zhǎng)范圍200—280 nm的探測(cè)器)由于在大氣層以下受到太陽(yáng)光的輻射噪聲極小而受到越來(lái)越多的關(guān)注[1],目前應(yīng)用技術(shù)較為成熟的日盲探測(cè)器材料多為硅基材料,然而由于這類(lèi)材料本身禁帶寬度較窄的局限性,大多需要附加價(jià)格較為昂貴的濾光偏振附件,才能達(dá)到效果,并不太適合在該領(lǐng)域大規(guī)模使用[2].因而許多學(xué)者開(kāi)始研究通過(guò)利用寬帶隙半導(dǎo)體材料制備日盲光電探測(cè)器[3?5],當(dāng)前探究較為成功且常見(jiàn)的有AlGaN[6],MgZnO[7]等材料,但是這些材料也有制備價(jià)格昂貴、需要通過(guò)精確摻雜其他元素的方式來(lái)調(diào)節(jié)光學(xué)帶隙來(lái)達(dá)到預(yù)期吸收波長(zhǎng)范圍等的不足之處[8].因此,尋找成本低廉且具有相似性質(zhì)的寬帶隙半導(dǎo)體材料具有重要意義.氧化鎵作為一種寬直接帶隙半導(dǎo)體材料,物理性質(zhì)卓越[9],由于其帶隙值為4.9 eV 左右,天然處于日盲區(qū),且易與Al2O3,In2O3構(gòu)成熔融半導(dǎo)體完成對(duì)日盲區(qū)的全覆蓋[10],是一種特別適合的光電探測(cè)器材料,常被用于制備深紫外區(qū)域的工作器件中.

氧化鎵的制備已經(jīng)較為成熟,常見(jiàn)的方式有金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(metal-organic chemical vapor deposition,MOCVD)、分子束外延(molecular beam epitaxy,MBE)、射頻磁控濺射(RF magnetron sputtering)、脈沖激光沉積(pulse laser deposition,PLD)以及近年興起的溶膠凝膠(sol-gel) 法[11?15].其中,射頻磁控濺射法具有簡(jiǎn)單且成品質(zhì)量較好等優(yōu)點(diǎn),已有大量利用這種方法對(duì)氧化鎵的制備、摻雜等方式進(jìn)行的研究[16?18].在后退火操作方面,許多學(xué)者主要關(guān)注通過(guò)退火工藝對(duì)氧化鎵薄膜樣品的微觀結(jié)構(gòu)改變以及帶來(lái)的物理性質(zhì)的影響,并沒(méi)有與探測(cè)器性能聯(lián)系起來(lái)考慮,例如,Goyal 等[19]報(bào)道了退火溫度對(duì)PLD 法制備氧化鎵的微觀結(jié)構(gòu)影響,退火溫度的升高會(huì)帶來(lái)藍(lán)寶石基底的Al 擴(kuò)散從而影響薄膜光學(xué)帶隙;Feng 等[20]和Tien 等[21]揭示了退火氣氛相關(guān)的最新報(bào)道,在空氣和O2中后退火降低了樣品中的缺氧性,而在N2中退火促進(jìn)了氧元素的離解和N 原子的摻入,提高導(dǎo)電性;Singh 等[22]解釋了在空氣中高溫退火導(dǎo)致空氣中的C 摻雜,尤其是在1000 ℃ 以上時(shí),空氣中的C元素促進(jìn)更多高質(zhì)量的單斜Ga2O3形成等.在探測(cè)器性能方面,Yu 等[23]探究退火溫度對(duì)Ga2O3/4H-SiC 異質(zhì)結(jié)探測(cè)器的性能影響,但是由于異質(zhì)結(jié)型探測(cè)器更關(guān)注兩種材料接觸面形成的耗盡區(qū)少數(shù)載流子移動(dòng),因而主要關(guān)注了對(duì)于兩種材料接觸面的改善,并沒(méi)有對(duì)氧化鎵薄膜本身退火對(duì)探測(cè)器性能影響做探究且主要在氧氣氣氛下退火.此外,雖然在改進(jìn)氧化鎵本身材料質(zhì)量進(jìn)而影響所制備的金屬-半導(dǎo)體-金屬(metal-semiconductor-metal,MSM)探測(cè)器性能的方面的報(bào)道有很多,但是考慮在缺氧環(huán)境下,退火工藝對(duì)于氧化鎵MSM 探測(cè)器的參數(shù)影響以及機(jī)理的探究較少.

在本工作中,利用射頻磁控濺射的方法制備高質(zhì)量的Ga2O3薄膜,并在氬氣中進(jìn)行后退火,使用各種表征方法深入分析了相同氣氛下退火溫度對(duì)薄膜的性能影響,并發(fā)現(xiàn)了Wang 等[24]所提出的氧化鎵薄膜在缺氧的環(huán)境中退火,容易導(dǎo)致氧元素逸散出薄膜外,在薄膜中形成氧空位缺陷的現(xiàn)象.選取了綜合性質(zhì)最適合的800 ℃ 薄膜樣品制備成MSM 紫外光電探測(cè)器件進(jìn)行電學(xué)測(cè)試,并計(jì)算相關(guān)探測(cè)器性能參數(shù),結(jié)果表明退火后制備的器件性能具有很大的提升.

2 實(shí)驗(yàn)方法

2.1 樣品制備

采用JGP-450A 射頻磁控濺射系統(tǒng),通過(guò)直徑為2 in (1 in=2.54 cm)的氧化鎵陶瓷靶(純度99.99%),在石英基底上沉積氧化鎵薄膜.在開(kāi)始沉積前,將石英基底依次浸入丙酮、乙醇以及去離子水超聲清洗15 min,以去除石英基底表面污漬.在室溫下,于系統(tǒng)內(nèi)的高真空環(huán)境中通入高純氬氣,氣體流量為40 sccm (1 sccm=1 mL/min),工作氣壓為1.0 Pa,射頻功率為150 W,靶基距為5 cm,沉積厚度約為200 nm.沉積后使用高溫管式退火爐,在15 Pa 恒定氣壓,氬氣氣氛中恒溫退火2 h,分別設(shè)置退火溫度為600,700,800 以及900 ℃,并采用未退火樣品(25 ℃)進(jìn)行對(duì)比,得到5 種不同退火溫度對(duì)比的氧化鎵薄膜樣品.

2.2 性能表征

采用XD-3 型X 射線衍射儀(XRD)分析薄膜的晶體結(jié)構(gòu)以及結(jié)晶情況,使用Veeco-Multimode型原子力顯微鏡(AFM)表征樣品表面形態(tài)和粗糙度,應(yīng)用UV-3600 型紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)測(cè)試薄膜光學(xué)性質(zhì),采用ESCALAB Xi+型X 射線光電子能譜儀測(cè)試樣品中氧空位含量.為了解退火對(duì)于薄膜的光電性質(zhì)的影響,采用直流磁控濺射法在樣品表面沉積約80 nm 厚度的Au 叉指電極,制備MSM 器件(包含一層半導(dǎo)體薄膜和兩個(gè)相互交叉的金屬電極,指長(zhǎng)2.8 mm,指寬0.25 mm,指間距為0.25 mm,構(gòu)成由兩個(gè)背靠背的金屬-半導(dǎo)體接觸組成的器件),器件結(jié)構(gòu)如圖1 所示,其中本工作采用的有效光照面積為中間部分兩個(gè)叉指電極之間的縫隙裸露面積之和(0.05 cm2).并用Keithley 2400 半導(dǎo)體測(cè)試儀測(cè)量電學(xué)特性.

圖1 氧化鎵MSM 探測(cè)器器件結(jié)構(gòu)圖Fig.1.The device structure of the gallium oxide MSM detector.

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

圖2 為在不同溫度退火后的氧化鎵薄膜的XRD 圖像,參照氧化鎵標(biāo)準(zhǔn)比對(duì)卡(PDF#76-0573),發(fā)現(xiàn)制備的樣品為β-Ga2O3且在所有樣品在2θ=37.8° 和44.2° 均有衍射峰,分別對(duì)應(yīng)氧化鎵的(ˉ311)和(ˉ601).隨著退火溫度的升高,從700 ℃開(kāi)始,在2θ=64.5°和77.6° 對(duì)應(yīng)于氧化鎵(512)和(603)的衍射峰,在2θ=73.5° 出現(xiàn)(421)的衍射峰,并在溫度繼續(xù)升高后消失,退火溫度為900 ℃樣品同時(shí)在2θ=70.6°出現(xiàn)氧化鎵(ˉ803)的衍射峰,表明隨著退火溫度的升高,樣品伴隨著再結(jié)晶呈現(xiàn)更多的晶態(tài).原因是在退火過(guò)程中,會(huì)使得樣品中的粒子獲得能量而更容易遷移到能量最低位置,從而改善薄膜結(jié)晶質(zhì)量.

圖2 不同退火溫度的XRD 圖譜Fig.2.XRD patterns at different annealing temperatures.

圖3(a)展示了不同退火溫度樣品的(ˉ311)峰的2θ角的半峰寬(FWHM)和衍射峰的強(qiáng)度值,可以看出峰強(qiáng)隨著退火溫度的升高先升高后降低,在退火溫度達(dá)到800 ℃ 時(shí),達(dá)到最高414 強(qiáng)度的峰值.在半高寬參數(shù)方面,可以看到隨著退火溫度升高,半峰寬降低至800 ℃ 樣品的0.179° 最低值后開(kāi)始升高,而半峰寬越低,代表晶粒尺寸越大,結(jié)晶性能越好.根據(jù)Scherrer 公式

可以得到平均晶粒尺寸(見(jiàn)圖3(b))所示,D為平均晶粒尺寸 (nm)、λ為X 射線入射波長(zhǎng)(Cu,0.15418 nm)、B是半峰寬(rad)、θ為Bragg衍射角(rad).計(jì)算結(jié)果得知晶粒尺寸隨著退火溫度的升高呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì),于800 ℃ 樣品達(dá)到最高值49.0 nm.綜上,可以判斷出隨著退火溫度的升高,氧化鎵薄膜的結(jié)晶質(zhì)量逐漸變好,其中800 ℃ 樣品結(jié)晶質(zhì)量最好,900 ℃ 樣品質(zhì)量開(kāi)始變差,結(jié)合Feng 等[20]和Tien 等[21]關(guān)于退火氣氛的探究工作,推測(cè)是由兩個(gè)機(jī)理的共同作用: 1)隨著退火溫度的升高,薄膜中的粒子會(huì)獲得能量移動(dòng)到最優(yōu)位置,使得晶體粒子重新排列組合,提升薄膜結(jié)晶質(zhì)量;2)在氬氣氣氛中退火會(huì)使得薄膜中的氧元素更容易以氧氣的形式逸散出薄膜外,從而使得薄膜氧空位缺陷增多,降低薄膜結(jié)晶質(zhì)量.在退火溫度低于800 ℃ 時(shí),機(jī)理1 占主導(dǎo)地位,因此薄膜的平均晶粒尺寸隨著退火溫度升高而逐漸增大,當(dāng)退火溫度高800 ℃ 以后,機(jī)理2 成為主要因素,900 ℃ 的薄膜晶粒尺寸開(kāi)始變小.

圖4 為不同退火溫度(600,700,800 和900 ℃)的2 μm 范圍的AFM 二維圖像以及均方根粗糙度(RMS)整合圖像,可以看出隨著退火溫度的升高,樣品的表面粗糙度整體呈現(xiàn)下降的趨勢(shì),與圖3(b)中隨著退火溫度升高,薄膜平均晶粒尺寸整體上升的趨勢(shì)相對(duì)應(yīng),表明樣品結(jié)晶質(zhì)量的提高可以使得薄膜表面趨于平緩,歸因于逐漸增大的晶粒發(fā)生聚合,在樣品表面形成致密的小顆粒導(dǎo)致粗糙度降低[21],而800 ℃ 的RMS 值異常增大的情況,結(jié)合圖4(c)可以歸因于在薄膜表面形成較大的島狀團(tuán)簇聚合.

圖3 (a) 不同退火溫度下的半峰寬和峰強(qiáng)度圖像;(b)不同退火溫度的平均晶粒尺寸圖像Fig.3.(a) Images of the half-peak width and peak intensity at different annealing temperatures;(b) images of average grain size at different annealing temperatures.

圖4 退火溫度分別為600 ℃ (a),700 ℃ (b),800 ℃ (c)和900 ℃ (d)的AFM 圖像,以及4 個(gè)樣品的均方根粗糙度圖像(e)Fig.4.AFM images of annealing temperatures of 600 ℃ (a),700 ℃ (b),800 ℃ (c) and 900 ℃ (d),and RMS roughness images (e)of the four samples.

圖5(a)是不同退火溫度樣品的光學(xué)透射率圖譜,可以看出所有樣品在可見(jiàn)光區(qū)域均有75% 以上的透過(guò)率,內(nèi)置插圖為光學(xué)吸收邊圖像,所有樣品的吸收邊均在深紫外區(qū)域,且相較于未退火樣品,退火樣品的吸收邊發(fā)生藍(lán)移現(xiàn)象,表明對(duì)樣品在進(jìn)行高溫退火后會(huì)使得薄膜的結(jié)晶質(zhì)量提升[25].而在退火樣品中,700—900 ℃ 樣品相較于600 ℃,吸收邊紅移,歸結(jié)原因有二: 1)由于薄膜的平均晶粒尺寸會(huì)隨著溫度升高而加,會(huì)導(dǎo)致吸收邊紅移;2)隨著溫度的升高,薄膜中的氧元素更容易逸散在退火氣氛中,從而形成更多的氧空位缺陷,導(dǎo)致晶粒分布開(kāi)始不均勻化,吸收邊向低能量方向轉(zhuǎn)移.圖5(b)是由Tauc 關(guān)系式

圖5 (a) 不同退火溫度下的氧化鎵薄膜透射光譜;(b) 不同退火溫度薄膜樣品光學(xué)帶隙圖像Fig.5.(a) Transmission spectra of Ga2O3 thin films at different annealing temperatures;(b) optical band gap images of thin films at different annealing temperatures.

外推得到的(αhv)2-hv圖像,其中A是常數(shù),hυ是光子能量,Eg是光學(xué)帶隙,α為吸收系數(shù),由公式

得到,其中d為薄膜厚度 (nm)、T為透過(guò)率.圖5中插入的表格為計(jì)算得到的樣品光學(xué)帶隙值Eg,可以看到所有樣品的禁帶寬度均在4.9 eV 左右,符合氧化鎵禁帶寬度理論值.

圖6 是沉積態(tài)樣品和不同退火溫度Ga2O3薄膜樣品的XPS 測(cè)量譜和O1s精細(xì)譜,由C1s峰校準(zhǔn),參考Wang 等[24]的結(jié)合能校準(zhǔn)方法,C1s的結(jié)合能峰值設(shè)定為285.47 eV.由圖6(a)可以看出,這些樣品均具有Ga,O 和C 的峰且并沒(méi)有其他元素峰的增加.為了研究退火溫度對(duì)于Ga2O3薄膜樣品中氧空位的影響,針對(duì)O1s峰進(jìn)行研究,分為3 個(gè)峰,結(jié)合能為531.6—531.9 eV 的最強(qiáng)峰對(duì)應(yīng)晶格氧(OL),結(jié)合能在533 eV 左右的峰與氧空位(OV)有關(guān),而結(jié)合能最低的約530—531 eV的峰對(duì)應(yīng)于表面吸附氧(Os).其中,峰面積的占比可以表征樣品中各種氧的含量,由圖6(b),(c)可以發(fā)現(xiàn): 沉積態(tài)(25 ℃)的Ga2O3薄膜樣品OV峰面積占比為1.76%,OS峰面積占比為1.77%,隨著退火溫度的升高,OV峰面積占比逐漸升高至3.08%,OS峰面積占比降低至0.50%,表明在缺氧的環(huán)境下高溫退火,會(huì)增大樣品中的氧空位濃度,同時(shí)也會(huì)減少樣品表面的吸附氧,與Wei 等[26]的發(fā)現(xiàn)一致.

圖6 不同退火溫度下薄膜樣品的XPS 測(cè)量全譜 (a) 以及沉積態(tài) (b) 和退火樣品 (c) 的O1s 精細(xì)譜Fig.6.XPS survey spectra (a) and high-resolution O1s spectra for the as-grown (b),in different annealing temperatures (c) of Ga2O3 film.

選取未退火樣品(25 ℃)和800 ℃ 退火樣品再利用直流磁控濺射法沉積Au 電極,制備成MSM 器件.分別在黑暗環(huán)境下和254 nm 紫外光照射環(huán)境下,外加–5—5 V 的外置偏壓,測(cè)試樣品I-V特性,其中紫外光源距離樣品表面5 cm 高度.測(cè)試結(jié)果如圖7 所示,其中圖7(a)為室溫下生長(zhǎng)樣品I-V圖像,插圖是半對(duì)數(shù)圖像,可以看出Au 電極與氧化鎵樣品表面呈現(xiàn)肖特基接觸,在–1.1 V偏壓下,暗電流為–0.26 nA 數(shù)量級(jí),光電流則為–3.57 nA 數(shù)量級(jí),光暗電流比(PDCR=I254/Idark)達(dá)到最大為136.而圖7(b)則是800 ℃ 退火后器件的I-V圖像和半對(duì)數(shù)圖像,其中,圖像中的0 點(diǎn)飄移現(xiàn)象(即最低電流不在零偏壓處的現(xiàn)象)與電壓掃描途徑有關(guān)[27](–5–0–5 V),在–1.1 V 偏壓下暗電流為–0.677 nA 數(shù)量級(jí),光電流為–691.4 nA 數(shù)量級(jí),光暗電流比達(dá)到最大為1021.3.特別注意的是圖7(b)的I254在0—5 V 的電壓逐漸增大的過(guò)程中出現(xiàn)先緩慢增長(zhǎng),在2 V 左右出現(xiàn)急速增大的現(xiàn)象是由于800 ℃ 薄膜樣品中較多的氧空位缺陷作用導(dǎo)致的.參考圖8(a),當(dāng)在樣品表面附加光照后,薄膜在吸收光子后產(chǎn)生大量光生載流子,光生電子的去向主要有兩種: 1) 直接躍遷過(guò)禁帶到達(dá)導(dǎo)帶附近;2) 在躍遷過(guò)程中被大量的氧空位束縛.在附加的偏壓較低時(shí),給予光生電子的電場(chǎng)能量不足以使得其脫離氧空位的束縛,因此光電流隨電壓的增速較為緩慢,當(dāng)外加偏壓達(dá)到2 V 時(shí),對(duì)光生載流子附加的電場(chǎng)能量剛好可以使得大量載流子可以擺脫氧空位缺陷束縛,此時(shí)路徑2 的作用就相對(duì)很小,因而出現(xiàn)電流急劇增加的現(xiàn)象.圖7(c),(d)分別為兩個(gè)器件在5 V 偏壓下的瞬態(tài)響應(yīng)I-T圖像,采用間隔10 s 開(kāi)關(guān)光源的方法測(cè)得,可以看出兩個(gè)器件均具有較強(qiáng)的信號(hào)穩(wěn)定性.

圖7 室溫下生長(zhǎng)樣品 (a) 和800 ℃ 退火樣品 (b) 在黑暗環(huán)境下及254 nm 紫外光源照射下的I-V 圖像和半對(duì)數(shù)圖像以及在5 V 偏壓下,25 ℃ (c),800 ℃ (d)的I-T 圖像及其雙指數(shù)擬合I-T 圖像 (e) 和 (f)Fig.7.I-V images and semi-logarithmic images of samples grown at room temperature (a) and annealed at 800 ℃ (b) in the dark under 254 nm UV light source and under 5 V bias,the I-T image of 25 ℃ (c),800 ℃ (d) and its bi-exponential fitting I-T images (e),(f).

對(duì)于光電探測(cè)器的性能參數(shù)進(jìn)行討論,其中響應(yīng)度是被用來(lái)表征探測(cè)器靈敏度的參量,說(shuō)明在確定光信號(hào)下,探測(cè)用來(lái)轉(zhuǎn)化有用電信號(hào)的能力,可以用公式[27]求得,其中Rλ是響應(yīng)度,Iλ是光電流,Id是暗電流,S是有效光照面積(0.05 cm2),Pλ是光源照度.外量子效率指每個(gè)入射光子所產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)的數(shù)目,可由公式[28]

求得,EQE 是外量子效率,Rλ是響應(yīng)度,λ是入射光波長(zhǎng).

響應(yīng)速度可以通過(guò)對(duì)I-T圖像的上升和衰減過(guò)程進(jìn)行二階指數(shù)方程擬合得到,如圖7(e),(f)所示,方程為

其中,I0和t分別是穩(wěn)態(tài)光電流和時(shí)間,A和B為常數(shù),τ1和τ2是弛豫時(shí)間常數(shù),所得結(jié)果如表1 所示,800 ℃ 樣品相較于未退火樣品,上升時(shí)間縮短,反應(yīng)速度加快,下降時(shí)間增大,速度變小,這種情況可以由圖8 說(shuō)明,當(dāng)光照后,參考圖8(a),由于800 ℃樣品具有較窄禁帶寬度,從而使得產(chǎn)生的光生電子更容易越過(guò)禁帶到達(dá)導(dǎo)帶(路徑1),因此800 ℃ 樣品的上升時(shí)間常數(shù)(τr1,τr2)比未退火樣品的上升時(shí)間常數(shù)時(shí)間小,上升速度更快.在光關(guān)閉后,參考圖8(b)位于導(dǎo)帶的光生電子和價(jià)帶的空穴趨于復(fù)合,此時(shí)氧空位的存在會(huì)減緩復(fù)合過(guò)程(路徑2),由于800 ℃ 樣品中的氧空位較多,因而光生載流子的復(fù)合過(guò)程會(huì)慢許多,表現(xiàn)為800 ℃樣品的下降時(shí)間常數(shù)(τd1,τd2)比較大,下降速度更慢.

圖8 光開(kāi)啟時(shí) (a) 和光關(guān)閉后 (b) 氧化鎵MSM 器件能帶示意圖,途徑1 表示光生載流子的產(chǎn)生 (a) 與復(fù)合 (b),途徑2 表示氧空位缺陷捕獲 (a) 和釋放 (b) 光生電子Fig.8.Schematic diagram of the energy band of the gallium oxide MSM device when the light is turned on (a) and after the light is turned off (b).Pathway 1 represents the generation (a) and recombination (b) of photogenerated carriers,and pathway 2 represents oxygen vacancy defect trapping (a) and release (b) photogenerated electrons.

表1 在5 V 偏壓下I-T 雙指數(shù)擬合圖像響應(yīng)時(shí)間參數(shù)表Table 1.I-T Bi-exponential fitted image response time parameters at 5 V bias.

探測(cè)器的品質(zhì)因數(shù)是等效噪聲功率(NEP),即使探測(cè)器能夠區(qū)分噪聲的最小光功率,定義式[29]為

其中,S是有效光照面積(cm2),?f是電子帶寬,也叫通頻帶寬度(Hz),D*是歸一化探測(cè)率(比探測(cè)率),被用來(lái)表征探測(cè)器探測(cè)最小光信號(hào)的能力,探測(cè)率越大,能力越強(qiáng),因此

其中Rλ是指與噪聲電流相同條件下測(cè)量的響應(yīng)度.對(duì)于氧化物光電探測(cè)器而言,限制探測(cè)率的噪聲包括暗電流的散粒噪聲、約翰遜噪聲(Johnson noise)以及熱波動(dòng)閃爍噪聲,一般認(rèn)為由暗電流產(chǎn)生的散粒噪聲是噪聲的主要貢獻(xiàn)者,因此比探測(cè)率公式可以近似為

其中D*為比探測(cè)率,Rλ是響應(yīng)度,q是電子電荷絕對(duì)值(1.6 × 10–19C),Jd為暗電流密度.求得的兩個(gè)樣品在–1.1 V 偏壓下的光電探測(cè)器性能參數(shù)如表2 所示,發(fā)現(xiàn)800 ℃ 退火樣品器件性能比25 ℃未退火樣品均有較大幅度提升.表3 對(duì)比了當(dāng)前各類(lèi)Ga2O3基薄膜MSM 結(jié)構(gòu)的日盲探測(cè)器性能參數(shù).為了控制成本,選擇采用更為經(jīng)濟(jì)的石英基底,受限于石英基底與氧化鎵薄膜匹配的程度低于藍(lán)寶石基底,本工作的探測(cè)器性能相較于目前最優(yōu)性能參數(shù)還有一些差距,擁有較好的光暗電流比(PDCR)和探測(cè)率(D*).

表2 在–1.1 V 偏壓下的探測(cè)器參數(shù)匯總表Table 2.Summary table of detector parameters at–1.1 V bias.

表3 當(dāng)前氧化鎵基MSM 結(jié)構(gòu)光電探測(cè)器主要性能參數(shù)匯總表Table 3.Comparison of main performance parameters of current gallium oxide-based MSM photodetectors.

氧化鎵的氧空位可以影響光電導(dǎo)增益,氧空位是有效的電子陷阱中心,是由金屬氧化物中脫去一個(gè)氧原子形成的點(diǎn)缺陷,一般帶正電.當(dāng)薄膜受到光照而激發(fā)光生載流子后,由于氧空位(Vo2+)可以和光生電子之間有勢(shì)能存在,從而可以捕獲電子,繼而阻礙空穴的消失以維持原來(lái)的電中性,以達(dá)到減緩光生電子與空穴的復(fù)合,提高載流子的壽命的效果,光生載流子壽命越長(zhǎng),光增益和響應(yīng)就越好[33].因此,800 ℃ 樣品相較于未退火樣品的氧空位濃度較高,導(dǎo)致本征載流子濃度相對(duì)較高,在未光照時(shí),表現(xiàn)出暗電流高一個(gè)數(shù)量級(jí)左右的現(xiàn)象;在光照后,依據(jù)載流子產(chǎn)生與復(fù)合過(guò)程原理,由于800 ℃ 樣品的光學(xué)帶隙(4.95 eV)相比于未退火樣品(5.18 eV)更加接近半導(dǎo)體材料吸收光子能量產(chǎn)生光生載流子的理論值(hc/λ=1240/254=4.89 eV),因此容易產(chǎn)生更多的光生載流子,同時(shí)在光生載流子傳輸過(guò)程中會(huì)伴隨著復(fù)合過(guò)程,氧空位的存在可以減緩光生載流子的復(fù)合,由于800 ℃樣品含有較多的氧空位存在,會(huì)更多的阻礙光生載流子的復(fù)合,使得光生載流子壽命較長(zhǎng),在相同的條件下,會(huì)有更多的光生載流子參與傳輸過(guò)程,因此,800 ℃ 樣品具有更高的光電流.由探測(cè)器參數(shù)計(jì)算公式可以看出,器件的光暗電流比參數(shù)占主要因素,而800 ℃ 樣品具有更大的光暗電流比,因此,800 ℃ 樣品相比未退火樣品具有更高的探測(cè)器參數(shù).

4 結(jié)論

采用射頻磁控濺射法在石英基底上沉積氧化鎵薄膜,在相同的氬氣氣氛中,設(shè)置不同的退火溫度,對(duì)薄膜進(jìn)行后退火處理,并選取未退火樣品和性能最佳的800 ℃ 退火樣品制備氧化鎵MSM 光電探測(cè)器.研究結(jié)果表明,后退火處理會(huì)提高氧化鎵薄膜的結(jié)晶性能,但也會(huì)隨著退火溫度的升高,薄膜中的氧元素會(huì)更容易逸散出薄膜外,形成更多的氧空位缺陷;氧化鎵薄膜具有很高的可見(jiàn)透明性,退火操作會(huì)使得薄膜吸收邊藍(lán)移,薄膜質(zhì)量提高;隨著退火溫度的升高,薄膜表面粗糙度整體逐漸趨于下降趨勢(shì),表面逐漸平緩;在制備的探測(cè)器性能方面,在氧化鎵薄膜800 ℃ 退火后,相較于未退火樣品,在1.1 V 的反向偏壓下,光暗電流比提升約7.5 倍,紫外光響應(yīng)度提升約195 倍,外量子效率提升51.6%,比探測(cè)率是未退火樣品的38.3 倍,表明氧化鎵薄膜在800 ℃ 退火后制備的MSM 探測(cè)器擁有更高的探測(cè)性能參數(shù)和更好的效果.