라디오 주파수 스퍼터링으로 성장시킨 비화학량론적 비정질 및 베타상 산화갈륨 박막의 광검출기 성능 및 금 나노결정의 비젖음 현상에 관한 연구

Abstract

Powder sputtering 방법을 통해 증착한 비정질, 결정질의 β-phase Ga2O3 (β-Ga2O3) thin films을 기반으로 한 solar blind 광 검출기의 성능에 대해 보고합니다. Metal-semiconductor-metal (MSM) 유형의 광 검출기를 제작하였고 254 nm파장에서의 자외선 노출 하에서 photo-excited 광학 특성에 대해 연구했습니다. 25 ℃의 성장 온도에서는 Ga2O3 film은 비정질 상을 성장한 반면에 490 ℃와 640 ℃에서는 c-plane sapphire 기판에 Epitaxial 성장하였습니다. 성장 온도가 증가함에 따라 Root-mean-square 표면 거칠기도 7.86에서 17.02 Å으로 증가합니다. Hard X-ray photo-electron spectroscopy 결과 박막의 화학적 조성은 산소 결핍으로 인해 비화학량론적이며 그리고 비정질 박막의 비화학량론 특성이 결정질 박막에 비해 더 높습니다. 고온에서 박막으로의 산소 혼입이 크게 향상되기 때문입니다. 특히 비정질 상의 Ga2O3 film의 photo-excited에 의한 전자 수송 성능이 결정질의 β-Ga2O3 thin films보다 우수함을 발견하였습니다. 25 ℃, 490 ℃ 그리고 640 ℃에서 성장시킨 샘플들의 Photo-to-dark current ratios는 각각 1.23 × 104, 1.84 × 102, 그리고 3.06 × 102 으로 추정됩니다. 10 V의 인가전압에서의 Detectivity는 각각 2.87 × 1015, 4.14 × 1013, and 1.24 × 1013 Jones로 계산됩니다. 우리들의 실험결과는 비정질 상의 Ga2O3 thin films은 Solar blind 광 검출기로 제작하기에 적합할 수 있고 그리고 매우 낮은 Dark current는 Ga2O3 기반의 Solar blind 광 검출기의 성능을 결정하는 중요한 핵심 매개변수임을 뒷받침했습니다. 2번째로 Powder sputtering 방법으로 제조한 Ga2O3 thin films위에 Thermal evaporation Au의 Dewetting에 대해 보고합니다. Au는 4 nm 그리고 10 nm로 증착하였으며 rapid thermal annealing으로 온도별 Au의 dewetting을 연구했습니다. 505 ℃의 성장 온도에서 Ga2O3 thin films은 c-plane sapphire 기판에 Epitaxial 성장하였으며 Out-of-plane과 In-plane XRD 결과 α- 와 β-phase가 공존하고 있습니다. Surface normal direction인 Sapphire [0006]으로 Azimuthal scan (θ-scan) 결과 α- 와 β-phase은 Sapphire 기판에 잘 정렬되어있으며 60°씩 분리되어진 6-fold in-plane symmetry를 가집니다. 700 ℃와 900 ℃의 열처리 온도에서는 Au 입자의 일반적인 Dewetting이 나타나지만 1000 ℃에서는 표면으로부터 Au 입자의 파고듦을 발견하였습니다. Azimuthal scan 결과 Au(200) plane은 Sapphire [1126]과 [1010]방향에 대해 Epitaxial 정렬되어 있으며 30°씩 분리되어진 12-fold rotational symmetry를 가집니다. 또한 [1010]방향으로 17° twin domain을 형성합니다. Off-specural XRD 결과 Sapphire [1010]방향의 Au(200)의 격자상수는 a축과 c축으로 각각 3.507, 5.057 nm; Sapphire [1120]방향의 Au(200)은 각각 3.528, 4.996 nm입니다. Au (200) twin domain의 격자상수는 a축으로 감소, c축으로는 증가하였습니다.|We report the performance of solar blind photodetectors based on amorphous and crystalline β-phase Ga2O3 (β-Ga2O3) thin films deposited using powder sputtering method. Metal-semiconductor-metal (MSM) type photodetectors were fabricated and the photo-excited optical properties under ultraviolet exposure of 254 nm wavelength were studied. At a growth temperature of 25 ℃, the Ga2O3 film grew as an amorphous phase, whereas at 490 and 640 ℃, it was epitaxial to the c-plane sapphire substrate. As the growth temperature increases, the root-mean-square surface roughness increases from 7.86 to 17.02 Å. Hard X-ray photo-electron spectroscopy results revealed that the chemical composition of the thin films was non-stoichiometric due to oxygen deficiency, and the non-stoichiometry of the amorphous thin films is higher than the crystalline thin films. This is because the incorporation of oxygen into the thin films at high temperatures is greatly improved. In particular, we found that the photo-excited electronic transport properties of the amorphous phase Ga2O3 thin films are superior to those of the crystalline β-Ga2O3 thin films. The photo-to-dark current ratios of the samples grown at 25, 490, and 640 ℃ are estimated to be 1.23 × 104, 1.84 × 102, and 3.06 × 102, respectively. Detectivity at the applied voltage of 10 V is also calculated to be 2.87 × 1015, 4.14 × 1013, and 1.24 × 1013 Jones, respectively. Our results supported that amorphous Ga2O3 thin films could be suitable for the fabrication of solar blind photodetectors and that very low dark current was a key parameter determining the performance of Ga2O3-based solar blind photodetectors. Second, we repot on the dewetting of Au deposited by thermal evaporation on Ga2O3 thin films fabricated by powder sputtering, respectively. Au was deposited at 4 nm and 10nm, and dewetting of Au by temperature was stuided by rapid thermal annealing (RTA). At a growth temperature of 505 ℃, Ga2O3 thin films were epitaxially grown on c-plane sapphire substrates. Out-of-plane and in-plane XRD results show that α- and β-phases coexist. As a result of Azimuthal scan (θ-scan) with sapphire [0006], α- and β-phases are well aligned on the sapphire substrate and have 6-fold in-plane symmetry separated by 60°. We found that conventional dewetting of Au particles was observed at annealing temperature of 700 ℃ and 900 ℃, but embedded of Au particles from the surface at 1000 ℃. As a result of azimuthal scan, the Au(200) plane is epitaxially aligned to the sapphire [1126] and [1010] direction and has 12-fold rotational symmetry separated by 30°. it also has grown 17° twin damain in the [1010] direction. As a result of off-specular XRD, the lattice constants of Au(200) in the Sapphire [1010] direction were 3.507 and 5.057 nm in the a- and c-axes, respectively; Au(200) in the Sapphire [1120] direction is 3.528 and 4.996 nm, respectively. The lattice constant of the Au (200) twin domain decreased in the a-axis and increased in the c-axis.