氧化鎵懸臂式薄膜日盲探測器及其電弧檢測應用*

張裕 劉瑞文 張京陽 焦斌斌 王如志?

1) (北京工業大學材料科學與工程學院,新能源材料與技術研究所,新型功能材料教育部重點實驗室,北京 100124)

2) (中國科學院微電子研究所,北京 100029)

3) (中國科學院大學,北京 100049)

金屬-半導體-金屬(MSM)型氧化鎵薄膜探測器的性能高度依賴于氧化鎵薄膜的均勻性,工藝難度較高,對規模化、量產化薄膜探測器提出了挑戰.本文首次在量產化懸臂式薄膜芯片表面物理沉積氧化鎵薄膜,實現了一個五對叉指電極結構的MSM 型氧化鎵薄膜日盲探測器.得益于微機電系統(MEMS)工藝制備的懸臂式電極結構保護了內部電路與探測薄膜的完整均勻性,所獲得的氧化鎵薄膜雖然是非晶結構,但探測器仍然具備良好的紫外探測性能.在18 V 偏壓下其探測率達到7.9×1010 Jones,外量子效率達到1779%,上升和下降時間分別為1.22 s 和0.24 s,接近晶體氧化鎵薄膜的探測性能.該探測器在無任何光學聚焦系統的情況下,實現了對戶外日光環境下脈沖電弧的靈敏檢測,將在日盲探測領域具有良好的潛在應用價值.本工作基于MEMS工藝的懸臂式電極結構開發的敏感功能薄膜沉積技術,避免了功能薄膜大面積均勻性對刻蝕電路的影響,為MSM 型薄膜探測器的制備提供了新的技術方法和工藝路線.

1 引言

在紫外光譜區域 (10—400 nm) 中,波長范圍在200—280 nm 的紫外線稱為日盲紫外線.對于該波段響應的日盲光電探測器,即使暴露在正常的室外照明下,也不會產生可測量的信號,在軍事和民用探測領域具有巨大的潛力[1-3].基于日盲光電探測器特殊性能的要求,超寬禁帶 (禁帶寬度大于4 eV) 半導體是制備日盲探測器的首選材料[4].氧化鎵(Ga2O3)具備4.4—5.3 eV[5-8]的禁帶寬度、材料易加工以及紫外吸收系數大等綜合優點,因此被視為理想日盲紫外探測材料的候選者.

從目前氧化鎵日盲探測器發展現狀來看,已有大量不同結構的氧化鎵探測器報道.例如,Li等[9]采用簡單浸沒法構建了n-Ga2O3/p-CuSCN 核-殼微線異質結型日盲探測器,該器件在5 V 偏壓下具備1.03 pA 的超低暗電流、4.14×104的高光暗電流比(the photo-to-dark current ratio,PDCR)、1.15×104的高抑制比 (R254/R365),除此之外還兼備自供電和低功耗等優點.更進一步,Li等[10]在剝離的β-Ga2O3/CuI 核-殼微線異質結構上,構建了一個寬帶紫外光(200—410 nm)自供電光電探測器.該器件即使沒有封裝也能在10 個月內保持優越的穩定性.Fu等[11]以ITO 和Ni 為叉指電極,在β-Ga2O3薄膜上制備了ITO/β-Ga2O3/Ni 肖特基結日盲光電探測器.在20 V 和254 nm 光照 (40.94 μW/cm2)下,ITO/β-Ga2O3/Ni 探測器的響應度(responsivity,R)、探測率 (detectivity,D*)和外量子效率(external quantum efficiency,EQE)分別為470.62 A/W,1.11×1015Jones 和1.67×105%.Li等[12]基于非晶氧化鎵薄膜,成功構建了一種含氧化銦錫透明電極的光電導型日盲深紫外探測器.該器件的R為1.3×104A/W,D*為3.2×1014Jones,EQE 為6.7×106%,并且能夠有效地檢測到204 pW/cm2以下的極弱日盲深紫外信號.在諸多的探測器結構中,金屬-半導體-金屬(MSM)型探測器擁有簡單叉指結構,單位面積內結電容較小,易于集成且與晶體管工藝兼容等優勢[13],已成為目前的研究熱點.Gao等[14]用AlN 緩沖層,利用金屬有機物化學氣相沉積法(MOCVD)制備了高結晶質量的β-Ga2O3薄膜,并采用磁控濺射法在氧化鎵薄膜上沉積Ti/Au(100 nm/300 nm) 雙層叉指電極制備了MSM 探測器.得益于AlN 緩沖層的加入,降低了Ga2O3薄膜生長過程的晶格失配率.探測器在3 V 偏壓下,暗電流最小達到45 fA,PDCR 達到8.5×105,峰值響應度為38.8 A/W.Liu等[15]使用MOCVD制備Ga2O3薄膜,再利用紫外光刻、剝離和離子束濺射等微納加工方法成功制備4×4 規模的MSM結構深紫外探測器陣列.探測器陣列的R為2.65×103A/W,D*為2.76×1016Jones,EQE 為1.29×106%,光電導增益遠大于1,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.

綜上所述,目前具備優異性能的MSM 型Ga2O3薄膜探測器對薄膜的晶體質量、均勻性提出了苛刻的要求,無疑是對薄膜探測器實現規模化、量產化的挑戰.本文首次在量產化懸臂式薄膜芯片表面物理沉積Ga2O3薄膜,實現了一個具備典型MSM結構的Ga2O3薄膜日盲探測器.其中懸臂式薄膜芯片采用成熟的MEMS 工藝制備,該工藝包含了電路刻蝕工藝和電極沉積工藝,相比于目前在Ga2O3薄膜上刻蝕電極電路的工藝,能夠輕易實現探測器量產化,避免了Ga2O3薄膜大面積均勻性的難題.MEMS 工藝制備的探測器具備獨立的小尺寸電極電路,能夠靈活實現任意規模尺寸的陣列結構.采用成本低廉、可控性高和成膜尺寸大的射頻磁控濺射技術沉積的非晶態Ga2O3薄膜整體均勻,所獲的Ga2O3薄膜探測器擁有可觀的日盲探測性能.在無任何光學聚焦系統配置的條件下,該探測器在戶外日光環境下展示出對脈沖電弧的靈敏檢測,證實了該探測器在未來日盲探測領域具備潛在應用價值.

2 實驗方法

利用光刻刻蝕、濕法腐蝕等工藝實現芯片懸臂式結構,沉積金屬Pt 作為叉指電極.使用銀膠將懸臂式薄膜芯片固定在轉接板上,隨后用金線實現芯片電極與轉接板觸點之間的搭接.采用磁控濺射技術在懸臂式薄膜芯片上沉積Ga2O3光敏薄膜,基靶采用氧化鎵陶瓷靶材,濺射時間為1 h.低溫等離子體處理采用等離子體化學氣相沉積儀器,在200 ℃下氬氣氛圍中處理1 h 能夠改善物理沉積薄膜的表面結構,實現非晶薄膜內無序晶粒重組,削減薄膜內部缺陷.Ga2O3薄膜的晶體結構、表面形貌、元素成分、元素分布、表面粗糙度和光學帶隙分別通過X 射線衍射儀(XRD,Bruker D8 Advance)、掃描電子顯微鏡(SEM,FE-STEM SU9000)、X 射線光電子能譜儀(XPS,Thermo Scientific K-Alpha)、能譜儀(EDS,FE-STEM SU9000)、原子力顯微鏡(AFM,Bruker Dimension Icon)和紫外-可見光漫反射測試(Hitachi U4150)測量獲得.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 2636B 來完成.

3 氧化鎵懸臂式薄膜探測器

采用X 射線衍射儀對濺射的Ga2O3薄膜進行結晶度驗證.圖1(a)顯示了在實驗條件下沉積的Ga2O3薄膜的XRD 曲線.除了來自SiO2基底的約28.8°衍射峰外,沒有觀察到特征峰,表明生長的Ga2O3薄膜是非晶態.圖1(b)展示的是Ga2O3薄膜的SEM 圖像,可以清晰看出晶體顆粒在其表面均勻分布.圖1(c)為圖1(b)區域內的EDS 能譜圖像,其中綠色和紅色分別為氧元素和鎵元素,表明兩元素在該區域內分布均勻.圖1(d)展示了Ga2O3薄膜的XPS 能譜,說明薄膜中除了芯片中含有的Si元素外,只含有Ga 和O 兩種元素.Ga2O3的存在也可以通過Ga3+的Ga 2p3/2和Ga 2p1/2的自旋軌道水平來證實,如圖1(e)所示分別位于1118.08 eV和1145.08 eV[16].圖1(f)為Ga2O3薄膜5 μm×5 μm掃描面積的AFM 圖像.薄膜的平均粗糙度(RMS)為3.44 nm,表明薄膜的表面較平整光滑.為了確定沉積的Ga2O3薄膜的日盲屬性,對其進行光學吸收測試.如圖1(g)所示,Ga2O3薄膜的吸收邊約為270 nm.此外,在超過350 nm 處觀察到微弱的吸收,這可能是由于樣品中存在缺陷.對于直接帶隙半導體,遵循以下公式[17]:

圖1 Ga2O3 薄膜的(a) XRD 圖譜、(b) SEM 圖像、(c) EDS 圖譜、(d) XPS 能譜、(e) Ga 2p 能譜、(f) AFM 圖譜和(g) 光吸收曲線;圖(g)插圖顯示了(αhν)2與hν 的光學帶隙圖.Fig.1.(a) XRD pattern,(b) SEM image,(c) EDS pattern,(d) XPS energy spectrum,(e) Ga 2p spectrum,(f) AFM pattern,(g) optical absorption curve of Ga2O3 thin film.The inset in panel (g) shows the curve of(αhν)2 versus hν for the determination of the optical band gap of Ga2O3 thin film.

其中α是吸收系數,h是普朗克常數,ν是入射光的頻率,B是一個常數,Eg是光學帶隙.通過繪制(αhν)2與hν的光學帶隙圖,并將該圖的直線部分外推到光子能量軸上就能獲得樣品的光學帶隙.薄膜的光學帶隙被確定為Eg≈ 4.67 eV,如圖1(g)的插圖所示,與之前的工作相近[18,19].

圖2(a)是Ga2O3薄膜探測器的實物照片,探測器與貼片轉直插轉接板緊密結合,這不僅有利于外接電路的連接搭建,而且與眾多電子電路有著良好的兼容性.圖2(b)為懸臂式薄膜芯片的結構示意圖,采用懸臂式結構能夠有效降低芯片功耗并提升其可靠性,芯片的整體平面尺寸為0.9 mm×0.9 mm.圖2(c)是圖2(b) 紅色框中的叉指電極SEM圖像,芯片表面具有對稱的叉指電極.圖2(d)展示了懸臂式薄膜芯片內部叉指電極的詳細結構,類似于三明治結構.底層為具備叉指結構溝槽的芯片襯底,中層為沉積的金屬Pt,頂層為物理沉積的Ga2O3薄膜.懸臂式電極結構中的電路刻蝕工藝和電極沉積工藝均在底層的芯片襯底上實現,因此保證了頂層功能薄膜的完整性.同時頂層沉積的Ga2O3薄膜覆蓋在中層的Pt 電極之上,防止電極電路裸露而損傷,對電極電路起到了保護作用.頂層Ga2O3薄膜覆蓋的區域為150 μm×150 μm,電極共有5 對高精度叉指,指長150 μm,寬4 μm,指間距為10 μm,該探測器的有效輻照面積為2.25×10-4cm2.相比于公共電極結構器件[15,20-23],由該工藝制得的探測器具備獨立的小尺寸電極電路,能夠靈活實現任意規模尺寸的陣列結構.

圖2 (a) Ga2O3 薄膜探測器的實物照片;(b) 懸臂式薄膜芯片的結構示意圖;(c) 圖(b)紅色框中的叉指電極SEM 圖像;(d) 圖(b)紅色框中叉指電極的詳細結構示意圖Fig.2.(a) Physical photograph of Ga2O3 thin film-based photodetector;(b) schematic of the structure of the cantilevered thin film chip;(c) the SEM image of interdigital electrodes in the red box in panel (b);(d) the detailed schematic structure of interdigital electrodes in the red box in panel (b).

4 探測器性能測試分析

更進一步,本工作研究了Ga2O3薄膜探測器的光響應特性,如圖3 所示.圖3(a)首先測量了探測器在黑暗中和254 nm 光照下的I-V曲線,254 nm光照條件下的整個I-V曲線呈現出非線性行為,表明薄膜與電極之間存在著肖特基勢壘,這可能是由于Ga2O3薄膜上存在許多表面態引起的[24,25].圖3(b)分別比較了2.08 mW/cm2光照強度254 nm 和365 nm 的時間與光電流之間的響應曲線,發現探測器在254 nm 光照下可以很容易地在高電流狀態和低電流狀態之間轉換,在18 V 偏壓下表現出0.17 μA 的最大光電流和1.3 nA 的暗電流.這一結果表明該探測器對日盲紫外線具有高度的選擇性.本工作對Ga2O3薄膜探測器的一些關鍵參數進行了表征,包括PDCR,R,D*和EQE,分別被定義為[26-29]

圖3 Ga2O3 薄膜探測器(a) 在黑暗和254 nm 光照下的I-V 曲線;(b) 254 nm 和365 nm 光照下的動態響應曲線;(c) 在18 V 偏壓下不同光照強度的動態響應曲線;(d) 光電流與光強的關系;(e) 上升/下降曲線;(f) 數十個操作周期切換Fig.3.Ga2O3 thin film detector: (a) I-V curves of the photodetector in the dark and under 254 nm illumination;(b) I-t curves operated at 254 nm and 365 nm illumination (2.08 mW/cm2);(c) I-t curves of the photodetector under different light intensities of 254 nm with a bias voltage of 18 V;(d) photocurrent versus light intensity;(e) rise/decay curves;(f) over tens of operation cycles.

其中,Ilight和Idark分別為光電流和暗電流,P為光照強度,S為探測器的有效輻照面積,c表示光速,q為電子電荷,λ表示入射光的波長.根據圖3(b)中的實驗結果,在工作電壓為18 V 的情況下,入射光強度為2.08 mW/cm2時,PDCR 為130,R達到0.364 A/W.這一結果表明Ga2O3薄膜探測器對日盲紫外線具有可觀的探測靈敏度.D*為7.9×1010Jones,表明該器件具備感知較低可檢測信號的能力.EQE 為1779%,表明該探測器對日盲紫外線的光電轉換效率高,能夠有效地激發出電子-空穴對.

圖3(c)展示的是在18 V 偏壓下不同光照強度的動態響應曲線.可以清楚地看到,隨著光照強度的增大,在較高的光強光照下,器件擁有較大的Ilight.這種關系是合理的,因為在更高強度的光照射下會產生更多的光生電子-空穴對,從而產生更大的光電流.為了更好地理解上述變化趨勢,在18 V 偏壓下光電流與光照強度之間的關系按照冪函數規律(Iph∝Pθ)進行擬合,Iph和P分別代表凈光電流(Iph=Ilight-Idark)和光照強度,指數θ是一個反映光生載流子重組活動的經驗值[30].通過仔細擬合曲線,在677—2080 μW/cm2的光強下,θ值為0.75 (圖3(d)),與理想值(θ=1)的輕微偏差表明器件中存在光電流復合損耗.這可能是由于在費米能級和導帶邊緣之間存在一些陷阱態[31].

響應速度通常用光電探測器的響應時間來描述.其特征是上升時間τr和衰減時間τd,分別定義為光電流從最大值的10%上升到90%的時間和從最大值的90%下降到10%的時間.圖3(e)中的數據表明,在254 nm 光照下,上升時間為1.22 s,衰減時間為0.24 s.圖3(f)顯示了探測器在18 V偏壓下工作的I-t曲線,總共統計了1200 s 內光電流.光電探測器可以很容易地在10 s 的間隔內在“開”和“關”狀態之間切換,在研究的時間跨度(大約60 個周期)中沒有觀察到明顯的退化,證實了Ga2O3薄膜探測器具有良好的穩定性能.表1 顯示了本工作與已報道的MSM 型Ga2O3薄膜光電探測器的制備方法和探測性能的比較,相較而言,本文報道的Ga2O3探測器的探測性能并非十分出色.為了改善并提高探測器的性能,本文提出了一些適用于MEMS 工藝的可行性方法.例如,利用金屬鋁納米顆粒[32]或金屬鉑納米顆粒[33]對Ga2O3薄膜表面進行修飾,提升探測器的響應度和探測率;電路結構采用非對稱叉指電極[34],改變電極兩端的肖特基勢壘高度,實現自供電探測以降低功耗;適當調整Ga2O3薄膜退火溫度[35,36],通過控制薄膜內部的氧空位濃度[37],實現探測器更高的PDCR和更快的響應速度.

表1 MSM 型Ga2O3 薄膜光電探測器的光響應參數比較Table 1. Comparison of photoresponse parameters of MSM type photodetectors based on Ga2O3 thin film.

5 紫外電弧檢測應用

為了測試探測器實際的電弧檢測能力,圖4(a)中描繪的戶外電弧測試系統,包括一個脈沖電弧發生器、Ga2O3薄膜探測器、半導體分析儀以及一臺電腦.脈沖電弧發生器的輸出電壓大約100 kV,放電頻率每秒0.3—3 次,能夠有效地模仿高壓線間的輸送電壓.通過改變Ga2O3薄膜探測器與脈沖電弧發生器之間的距離(25—165 cm),研究了Ga2O3薄膜探測器對于該條件下產生的電弧的極限探測距離.如圖4(b)所示,圖中紫紅色區域為電弧作用時間,當測試距離為25 cm 時,能夠明顯觀察到Ga2O3薄膜探測器產生了脈沖光電流,并且光電流的大小與實驗室條件測得的結果相近.當探測距離增加至155 cm 時,圖4(c)中的脈沖光電流相比于圖衰減了10 倍,主要歸因于日盲紫外線輻照強度的減弱.圖4(d)的探測距離進一步增大,Ga2O3薄膜探測器探測前的暗電流與探測后的光電流保持在了相同水平,并且兩者之間不存在明顯區分界限.因此,本Ga2O3薄膜探測器對于輸出電壓為100 kV左右產生的電弧的極限探測距離為155 cm.

圖4 (a) 戶外電弧檢測系統;電弧與探測器距離(b) 25 cm,(c) 155 cm,(d) 165 cm 的響應曲線Fig.4.(a) Outdoor arc detection system;response curves for the arc to detector distances of (b) 25 cm,(c) 155 cm and (d) 165 cm.

6 結論與展望

本文報道了具備日盲紫外響應性能的Ga2O3薄膜光電探測器.相較于傳統的薄膜探測器制備工藝,MEMS 工藝制備的特殊懸臂式電極結構能夠有效保護內部電路,保證頂層功能薄膜結構的完整與組分的均勻,克服了傳統刻蝕電極電路工藝對功能薄膜的損傷.通過射頻磁控濺射技術在懸臂式電極結構表面沉積非晶態Ga2O3薄膜,為低成本量產微型探測器提供了一種新的技術途徑.在18 V偏壓和2.08 mW/cm2的254 nm 光照條件下,所得Ga2O3薄膜光電探測器的光響應度為0.364 A/W,探測率為7.9×1010Jones,外量子效率為1779%,上升和下降時間分別為1.22 s 和0.24 s.在戶外日光環境下,對于輸出電壓為100 kV 的脈沖電弧,該探測器能夠完成極限距離為155 cm 的靈敏檢測.總體來說,得益于由MEMS 工藝的懸臂式電極結構開發的敏感功能薄膜沉積技術,本文制備的Ga2O3薄膜光電探測器對日盲紫外線展示出良好的探測性能,尤其是對脈沖電弧的檢測.然而直接將該探測器投入到電弧檢測應用尚不能滿足實際應用需求,還需進一步提升探測器的紫外探測性能并借助于精密的光學聚焦系統,有待在后續的工作中加以改進.