Исследование аномально высокого времени релаксации фототока в диодах Шоттки на основе a-Ga2O3

Ga₂O₃ — широкозонный материал с рядом уникальных характеристик, которые делают его перспективным материалом фотоники: он оптически прозрачен для оптического и ближнего ультрафиолетового излучения, обладает высокими значениями пробивных напряжений и высокой радиационной стойкостью. Одним из недостатков, которые в настоящее время препятствуют использованию данного материала в солнечно-слепых фотодетекторах, является аномально большое время нарастания и спада фотопроводимости, которое может достигать сотен секунд. Такая «замедленная» фотопроводимость существенно ограничивает область применения этих материалов. Проведены исследования природы этого эффекта. Выполнены измерения времени нарастания и спада фотоиндуцированного тока в диодах Шотки на основе α-Ga₂O₃, выращенных методом HVPE на сапфире, при засветке светодиодами с длиной волны 259 и 530 нм. При засветке ультрафиолетовым излучением рост тока через фоточувствительную структуру из двух встречных диодов происходил в три этапа: достаточно быстрое нарастание с характерным временем 70 мс, медленный рост с характерным временем 40 с и затянутый спад с характерным временем порядка 300 с. При последующей засветке излучением зеленого цвета рост тока с характерным временем 130 мс и 40 с накладывался на стимулируемый засветкой медленный спад амплитуды максимального тока с характерным временем порядка 1500 с. Анализ релаксации тока показал наличие глубоких центров с энергией (E_C – 0,17 эВ). Существенное замедление релаксации фотоиндуцированного тока можно связать с флуктуациями потенциала вблизи барьера Шотки.

1. Pearton S.J., Yang J., Cary P.H., Ren F., Kim J., Tadjer M.J., Mastro M.A. A review of Ga2O3materials, processing, and devices. Applied Physics Reviews. 2018; 5: 011301. https://doi.org/10.1063/1.5006941

2. Pearton S.J., Ren F., Tadjer M., Kim J. Perspective: Ga2O3for ultra-high power rectifiers and MOSFETS. Journal of Applied Physics. 2018; 124: 220901. https://doi.org/10.1063/1.5062841

3. Zhang J., Shi J., Qi D.-C., Chen L, Zhang K.H.L. Recent progress on the electronic structure, defect, and doping properties of Ga2O3. APL Materials. 2020; 8(2): 020906. https://doi.org/10.1063/1.5142999

4. Xu Yu, An Z., Zhang L., Feng Q., Zhang J., Zhang C., Hao Y. Solar blind deep ultraviolet β-Ga2O3 photodetectors grown on sapphire by the Mist-CVD method. Optical Materials Express. 2018; 8(9): 2941–2947. https://doi.org/10.1364/OME.8.002941

5. Wei Y., Li X., Yang J., Liu C., Zhao J., Liu Y., Dong S. Interaction between hydrogen and gallium vacancies in β-Ga2O3. Scientific Reports. 2018; 8: 10142. https://doi.org/10.1038/s41598-018-28461-3

6. Ingebrigtsen M.E., Kuznetsov A.Yu., Svensson B.G., Alfieri G., Mihaila A., Badstübner U., Perron A., Vines L., Varley J.B. Impact of proton irradiation on conductivity and deep level defects in β-Ga2O3. APL Materials. 2019; 7(2): 022510. https://doi.org/10.1063/1.5054826

7. Yoon Y., Kim S., Lee I.G., Cho B.J., Hwang W.S. Electrical and photocurrent properties of a polycrystalline Sn-doped β-Ga2O3 thin film. Materials Science in Semiconductor Processing. 2021; 121: 105430. https://doi.org/10.1016/j.mssp.2020.105430

8. Mcglone J.F., Xia Z., Zhang Y., Joishi C., Lodha S., Rajan S., Ringel S.A., Arehart A.R. Trapping effects in Si-doped-Ga2O3 MESFETs on an Fe-doped-Ga2O3 substrate. IEEE Electron Device Letters. 2018; 39(7): 1042—1045. https://doi.org/10.1109/LED.2018.2843344

9. Polyakov A.Y., Smirnov N.B., Shchemerov I.V., Chernykh S.V., Oh S., Pearton S.J., Ren F., Kochkova A.I., Kim J. Defect states determining dynamic trapping-detrapping in β-Ga2O3 field-effect transistors. ECS Journal of Solid State Science and Technology. 2019; 8(7): Q3013. https://doi.org/10.1149/2.0031907jss

10. Xu J., Zheng W., Huang F. Gallium oxide solar-blind ultraviolet photodetectors: A review. Journal of Materials Chemistry C. 2019; 7(29): 8753—8770. https://doi.org/10.1039/C9TC02055A

11. Yakimov E.B., Polyakov A.Y., Shchemerov I.V., Smirnov N.B., Vasilev A.A., Vergeles P.S., Yakimov E.E., Chernykh A.V., Shikoh A.S., Ren F., Pearton S.J. Photosensitivity of Ga2O3 Schottky diodes: Effects of deep acceptor traps present before and after neutron irradiation. APL Materials. 2020; 8(11): 111105. https://doi.org/10.1063/5.0030105

12. Yakimov E.B., Polyakov A.Y., Shchemerov I.V., Smirnov N.B., Vasilev A.A., Kochkova A.I., Vergeles P.S., Yakimov E.E., Chernykh A.V., Xian Minghan, Ren F., Pearton S.J. On the nature of photosensitivity gain in Ga2O3 Schottky diode detectors: Effects of hole trapping by deep acceptors. Journal of Alloys and Compounds. 2021; 879: 160394. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2021.160394

13. Oh S., Jung Y., Mastro M.A., Hite J.K., Eddy C.R., Kim J. Development of solar-blind photodetectors based on Si-implanted β-Ga2O3. Optics Express. 2015; 23(22): 28300—28305. https://doi.org/10.1364/OE.23.028300

14. Meng D.D., Ji X.Q., Wang D.F., Chen Z.W. Enhancement of responsivity in solar-blind UV detector with back-gate MOS structure fabricated on β-Ga2O3 films. Frontiers in Materials. 2021; 8: 672128. https://doi.org/10.3389/fmats.2021.672128

15. Tak B.R., Yang M.-M., Alexe M., Singh R. Deep-level traps responsible for persistent photocurrent in pulsed-laser-deposited β-Ga2O3 thin films. Crystals. 2021; 11(9): 1046. https://doi.org/10.3390/cryst11091046

16. Polyakov A.Y., Smirnov N.B., Shchemerov I.V., Pearton S.J., Ren F., Chernykh A.V., Lagov P.B., Kulevoy T.V. Hole traps and persistent photocapacitance in proton irradiated β-Ga2O3 films doped with Si. APL Materials. 2018; 6(9): 096102. https://doi.org/10.1063/1.5042646

17. Yakovlev N.N., Almaev A.V., Butenko P.N., Mikhaylov A.N., Pechnikov A.I., Stepanov S.I., Timashov R.B., Chikiryaka A.V., Nikolaev V.I. Effect of Si+ ion irradiation of α-Ga2O3 epitaxial layers on their hydrogen sensitivity. Material Physics and Mechanics. 2022; 48(3): 301—307. https://doi.org/10.18149/MPM.4832022_1

18. Dobaczewski L., Peaker A.R., Bonde N.K. Laplace-transform deep-level spectroscopy: The technique and its applications to the study of point defects in semiconductors. Journal of Applied Physics. 2004; 96(9): 4689—4728. https://doi.org/10.1063/1.1794897

19. Zheng X., Feng S., Zhang Y., Yang J. Identifying the spatial position and properties of traps in GaN HEMTs using current transient spectroscopy. Microelectronics Reliability. 2016; 63: 46—51. https://doi.org/10.1016/j.microrel.2016.05.001

20. Aoki Y., Wiemann C., Feyer V., Kim H.-S., Schneider C.M., Ill-Y.H., Martin M. Bulk mixed ion electron conduction in amorphous gallium oxide causes memristive behaviour. Nature Communications. 2014; 5: 3473. https://doi.org/10.1038/ncomms4473

21. Polyakov A.Y., Smirnov N.B., Shchemerov I.V., Lee I.-H., Jang T., Dorofeev A.A., Gladysheva N.B., Kondratyev E.S., Turusova Y.A., Zinovyev R.A., Turutin A.V., Ren F., Pearton S. J. Current relaxation analysis in AlGaN/GaN high electron mobility transistors. Journal of Vacuum Science & Technology B. 2017; 35(1): 011207. https://doi.org/10.1116/1.4973973

22. Mitrofanov O., Manfra M. Mechanisms of gate lag in GaN/AlGaN/GaN high electron mobility transistors. Superlattices and Microstructures. 2003; 34(1-2): 33—53. https://doi.org/10.1016/j.spmi.2003.12.002

23. Polyakov A., Nikolaev V., Stepanov S., Almaev A., Pechnikov A., Yakimov E., Kushnarev B.O., Shchemerov I., Scheglov M., Chernykh A., Vasilev A., Kochkova A., Pearton S.J. Electrical properties of α-Ga2O3 films grown by halide vapor phase epitaxy on sapphire with α-Cr2O3 buffers. Journal of Applied Physics. 2022; 131(21): 215701. https://doi.org/10.1063/5.0090832

24. Polyakov A.Y., Nikolaev V.I., Tarelkin S.A., Pechnikov A.I., Stepanov S.I., Nikolaev A.E., Shchemerov I.V., Yakimov E.B., Luparev N.V., Kuznetsov M.S., Vasilev A.A., Kochkova A.I., Voronova M.I., Scheglov M.P., Kim J., Pearton S.J. Electrical properties and deep trap spectra in Ga2O3 films grown by halide vapor phase epitaxy on p-type diamond substrates. Journal of Applied Physics. 2021; 129(18): 185701. https://doi.org/10.1063/5.0044531

25. Polyakov A.Y., Nikolaev V.I., Stepanov S.I., Pechnikov A.I., Yakimov E.B., Smirnov N.B., Shchemerov I.V., Vasilev A.A., Kochkova A.I., Chernykh A.V., Pearton S.J. Editors’ choice — electrical properties and deep traps in α-Ga2O3:Sn films grown on sapphire by halide vapor phase epitaxy. ECS Journal of Solid State Science and Technology. 2020; 9(4): 045003. https://doi.org/10.1149/2162-8777/ab89bb

26. Kim J., Pearton S.J., Fares C., Yang J., Ren F., Kim S., Polyakov A.Y. Radiation damage effects in Ga2O3 materials and devices. Journal of Materials Chemistry C. 2018; 7(1): 10—24. https://doi.org/10.1039/c8tc04193h

27. Polyakov A.Y., Nikolaev V.I., Meshkov I.N., Siemek K., Lagov P.B., Yakimov E.B., Pechnikov A.I., Orlov O.S., Sidorin A.A., Stepanov S.I., Shchemerov I.V., Vasilev A.A., Chernykh A.V., Losev A.A., Miliachenko A.D., Khrisanov I.A., Pavlov Yu.S., Kobets U.A., Pearton S.J. Point defect creation by proton and carbon irradiation of α-Ga2O3. Journal of Applied Physics. 2022; 132(3): 035701. https://www.doi.org/10.1063/5.0100359