1、WO3/b-Ga2O3异质结深紫外光电探测器的高温性能*张茂林马万煜王磊刘增杨莉莉李山唐为华郭宇锋(南京邮电大学集成电路科学与工程学院,氧化镓半导体创新中心,射频集成与微组装技术国家地方联合工程实验室,南京210023)(2023年 4月 19 日收到;2023年 6月 5 日收到修改稿)得益于高达 4.8eV 的禁带宽度,超宽禁带半导体氧化镓(Ga2O3)在深紫外探测领域具有天然的优势.考虑到光电探测器在高温领域具有十分重要的用途,本文研究了一种 WO3/b-Ga2O3异质结深紫外光电探测器以及高温对其探测性能的影响.利用金属有机化学气相沉积(MOCVD)技术制备了 Ga2O3薄膜,并采用旋
2、涂和磁控溅射技术分别制备了 WO3薄膜和 Ti/Au 欧姆电极.在室温(300K)下,该探测器的光暗电流比为 3.05106,响应度为 2.7mA/W,探测度为 1.511013Jones,外量子效率为 1.32%.随着温度的升高,器件的暗电流增加、光电流减少,导致上述光电探测性能的下降.为了理清高温环境下探测性能退化的内在物理机制,研究了温度对光生载流子产生复合过程的影响,继而阐明了高温对光电流增益机制的影响.研究发现,WO3/b-Ga2O3异质结光电探测器能够在 450K 的高温环境中实现稳定的自供电工作,表明全氧化物异质结探测器在恶劣探测环境中具有应用潜力.关键词：b-Ga2O3,WO3
3、,深紫外探测,高温PACS：02.10.Yn,33.15.Vb,98.52.Cf,78.47.dcDOI:10.7498/aps.72.202306381引言深紫外光电探测器是民用和军事应用中的重要器件,在导弹预警、臭氧空洞监测、安全通信、深空探测等领域具有广泛应用14.得益于高达 4.8eV的禁带宽度及可调控的材料特性,b-Ga2O3是制造深紫外光电探测器的理想材料之一5.基于 b-Ga2O3的多种深紫外光电探测器,如金属半导体金属(MSM)、肖特基二极管(SBD)、异质结器件等624均得到报道,并展现出优异的探测性能.异质结光电探测器与 MSM 以及肖特基光电探测器相比,具有低暗电流、高响
4、应速度、高响应度和探测度等优点2531.光生载流子在异质结内建电场的作用下进行输运,从而器件能够在零偏压下工作,即成为一种自供电型光电探测器.同时,通过调节异质结的势垒高度,可以控制光生载流子的传输,并在外加偏压下通过碰撞电离过程实现载流子倍增,从而实现单光子探测.这些特点为开发高效、低功耗的深紫外光电探测器提供了可能.目前,研究人员已开发出多种基于 b-Ga2O3的异质结自供电光电探测器.例如,Wu 等32提出了一种b-Ga2O3/Ga:ZnO 异质结光电探测器,其响应度为 0.763mA/W,开关比为 127,上升/下降时间分别为 0.179s 和 0.272s.Zhuo 等14提出了一种
5、MoS2/b-Ga2O3异质结光电探测器,其在零偏压下*国家重点研发计划(批准号:2022YFB3605404)、中国博士后科学基金(批准号:2022M721689)、江苏省卓越博士后计划和国家自然科学基金(批准号:61874059,62204125)资助的课题.通信作者.E-mail:通信作者.E-mail:2023中国物理学会ChinesePhysicalSocietyhttp:/物理学报ActaPhys.Sin.Vol.72,No.16(2023)160201160201-1响应度为 2.05mA/W,探测度为 1.211011Jones,该器件性能优于报道的其他 b-Ga2O3异质结光
6、电探测器,为设计高性能自供电日盲探测器提供了指导.当前,光电探测器需要面对的一个挑战是在高温环境下的工作能力.火焰检测、深空探测等应用通常伴随着高温环境33,34,因而对深紫外光电探测器的高温工作能力提出了新的挑战.b-Ga2O3基器件具有高化学稳定性和热稳定性,因此能够适用于高温应用.Nakagomi 等35提出了一种 b-Ga2O3/p型 4H-SiC 异质结光电探测器,器件在 500 下的整流比约为 103.为进一步探索 Ga2O3在高温深紫外探测中的潜力,本文提出了一种 WO3/b-Ga2O3异质结光电探测器,并研究了温度对其深紫外探测性能的影响.具有低成本、纳米结构、工艺简单以及较高
7、的化学稳定性和透明性等特点的 WO3材料3641,其与 b-Ga2O3共同构成的全氧化物光电探测器相较于 diamond/Ga2O3,AlN/Ga2O3,SiC/Ga2O3等异质结具备性能优势.本文利用金属有机化学气相沉积(MOCVD)系统在蓝宝石衬底上异质生长氧化镓外延薄膜,并通过旋涂 WO3纳米颗粒来构建 WO3/b-Ga2O3异质结.通过在不同环境温度下进行电流-电压(I-V)和电流-时间(I-t)测量,提取光暗电流比、响应度、探测度、外量子效率等参数,以评估 WO3/b-Ga2O3异质结的深紫外探测性能和高温稳定性.2研究方法本文所提出的 WO3/b-Ga2O3异质结光电探测器结构如图
8、 1(a)所示.首先采用金属有机化学气相沉积(MOCVD)系统在 2in(1in=2.54cm)(0001)晶向的蓝宝石(Al2O3)衬底上生长 b-Ga2O3薄膜,使用三乙基镓(TEGa,99.9999%)和氧气(O2,99.9999%)作为 Ga 源和 O 源,氩气(Ar)作为TEGa 的载气.薄膜生长温度设定为 860,压力为 100Torr(1Torr=133.32Pa),薄膜生长速率约为 1m/h.随后,通过旋涂 WO3纳米颗粒溶液来形成 WO3薄膜,并在 100 环境下退火 20min.采用磁控溅射沉积 Ti/Au(30nm/70nm)电极,电极形状为1mm1mm 的方形电极,并在
9、480下退火 1min,使得 Ti/Au 电极与两种半导体之间形成更好的欧姆接触.采用keysightB1505A 和高温探针台进行 I-V 和 I-t 测量,通过使用 254nm紫外光源,并改变光源和样品之间的距离来调节探测器表面接收到的紫外光强,从而获得 WO3/b-Ga2O3探测器的深紫外探测性能及其温度特性.Intensity/arb.unitsBinding energy/eV(d)40383634W 4f7/2W 4f5/2Intensity/arb.unitsBinding energy/eV(e)534532530528O 1s03006009001200Intensity/a
10、rb.unitsBinding energy/eV(c)W 4dO KLLW 4sO 1sW 4pC 1sW 4f1 mm(b)Ti/AuTi/AuWO3-Ga2O3Al2O3254 nm(a)图1(a)WO3/b-Ga2O3异质结光电探测器结构示意图;(b)WO3表面的 SEM 图;(c)WO3表面 XPS 图;(d),(e)W4f5/2,W4f7/2和 O1s 的结合能Fig.1.(a)SchematicdiagramofWO3/b-Ga2O3heterojunctionPD;(b)SEMimageoftheWO3surface;(c)XPSspectrumoftheWO3thinfilm
11、;(d),(e)bindingenergiesforW4f5/2,W4f7/2andO1s,respectively.物理学报ActaPhys.Sin.Vol.72,No.16(2023)160201160201-23结果与讨论为探究 WO3纳米颗粒的形态,将原始的 WO3溶液与异丙醇按 140 的体积比稀释后旋涂在硅衬底上.如图 1(b)所示,WO3薄膜表面显示出均匀的晶粒,晶粒大小约为 4080nm.图 1(c)为 WO3薄膜的 X 射线光电子能谱(XPS).进一步地,如图 1(d),(e)所示,W4f5/2,W4f7/2和 O1s 的结合能分别为 37.97,35.82 和 530.47
12、eV.上述结果证明了 WO3薄膜的成功制备.所制备的 b-Ga2O3与 WO3薄膜的吸收光谱如图 2(a),(b)所示,两者截止波长分别为 249 和 327nm.根据(1)式:(h)2=C(h Eg),(1)其中 a 为吸收系数,h 为普朗克常数,n 为入射光频率,C 为常数,Eg为带隙.如图 2(a)和图 2(b)内插图所示,可以算出 b-Ga2O3与 WO3的带隙分别为 4.98 和 3.79eV.WO3/b-Ga2O3异质结的响应度光谱如图 2(c)所示,可以观察到仅在 UVC 波段存在一个响应峰值.由于光生载流子的主要来源是耗尽区域,这表明光生载流子主要来自 b-Ga2O3.并且,该
13、结果也能说明 WO3的载流子浓度高于 b-Ga2O3.为了研究 WO3/b-Ga2O3异质结探测器的光电性能,测量了该器件的 I-V 特性,如图 3(a),(b)所示.图 3(a)为 300450K 下的暗电流(Idark)特性对比.在 300375K 的温度范围内,器件的暗电流均小于 1.3pA,表明 WO3/b-Ga2O3异质结的宽带隙和内建势垒具有抑制暗电流的作用.当温度达到 400K 时,能观察到暗电流随温度的升高而增大.热激发可能导致暗电流的提高,即随着温度的升高,更多的载流子能够跃迁到导带中并形成暗电流.另一个重要原因是Shockley-Read-Hall(SRH)产生-复合机制随
14、着温度的升高而进一步得到增强.具体到本文所提出的器件,暗电流主要来自于 WO3/b-Ga2O3所形成的耗尽区,随着温度的提高,耗尽区载流子生成率增大,从而导致暗电流的升高42.由于晶体缺陷及界面缺陷会形成大量的复合中心,这些复合中心对 SRH 过程有着显著的影响43,进一步优化晶体及界面质量将有望改善暗电流的温度依赖性.图 3(b)为不同温度下的光电流(Iphoto)特性对比,在测量过程中光强固定为 211W/cm2.在300K 下以及偏压为 0V 和 5V 时,器件的光电流分别为 3.05 和 72.05nA,表明探测器具有出色的光电性能.随着温度的升高,光电流逐渐降低,在400450K 区
15、间内光电流下降趋于平缓.450K下偏压为 0V 和 5V 时对应的光电流分别为 0.14和 2.04nA,而偏压为 0V 时的光电流则为室温下的 4%.导致 Iphoto降低的原因可能为迁移率的下2503003504004505000123Absorption/arb.unitsWavelength/nm(a)345024g 4.98 eV/eV()2/(1012 eV2Scm-1)Absorption/arb.units300350400450500Wavelength/nm00.51.01.5(b)3450264g 3.79 eV/eV()2/(1011 eV2Scm-1)02040608
16、0100250300200350400450Wavelength/nm(c)=35 mW/cm2Normalized responsivity/%图2(a)b-Ga2O3薄膜的吸收光谱;(b)WO3薄膜的吸收光谱;(c)WO3/b-Ga2O3异质结光电探测器的响应度光谱Fig.2.(a)UV-visabsorbancespectrumoftheb-Ga2O3film;(b)UV-visabsorbancespectrumoftheWO3film;(c)spe-ctremresponsivityoftheWO3/b-Ga2O3photodetector.物理学报ActaPhys.Sin.Vol.72,No.16(2023)160201160201-3降和增强的 SRH 复合机制.随着温度的升高,晶格振动散射增强,引起迁移率的下降和载流子传输效率的降低,更多的载流子将在输运至电极前被复合.其次,增强的 SRH 机制使得载流子复合速率增大,光生非平衡电子和空穴的寿命降低,可被电极收集到的载流子数量减少,从而导致光电流的下降.在各个温度下我们都可以观察到显著的光电流的零点漂移现象,偏移电压约为