Performance enhancement of solar-blind UV photodetector by doping silicon in β-Ga2O3 thin films prepared using radio frequency magnetron sputtering

材料科学 光电子学 光电探测器 溅射沉积 兴奋剂 无线电频率 薄膜 溅射 纳米技术 计算机科学 电信
作者
Yingnan Zhang,Min Zhang,Wenbo Hu,L. Hou,Shang Jiang,Sheng Wang,Jianjun Sun
出处
期刊:Vacuum [Elsevier]
卷期号:227: 113399-113399
标识
DOI:10.1016/j.vacuum.2024.113399
摘要

Si-doped β-Ga2O3 thin films were prepared on c-plane (001) sapphire substrates by radio frequency magnetron sputtering, and then annealed at 800 °C under Ar atmosphere for 1 h. Finally, Metal-Semiconductor-Metal type solar-blind UV photodetectors were prepared using the annealed β-Ga2O3 films. The structure, composition, optical properties and photoelectric detection performance of the films were studied using XRD, EDS, UV–Vis, PL spectroscopy and Keithley-4200 system. Results show that after silicon doping, the preferred orientation of the β-Ga2O3 film varies from (−201) to (200) and (201) crystal planes. EDX and XPS results show that 2.34 at% silicon was doped into Ga2O3 films by substituting Ga atoms. Both XPS and PL results show a decline of defect concentration within the Si-doped films, including oxygen vacancy. Si-doped β-Ga2O3 films exhibit enhanced solar-blind detection performance, with lower dark current (32.2 × 10−12 A) under 15 V bias, higher light-to-dark current ratio (3.2 × 104), higher light power density of 2.4 μW/cm2, and shorter response time. The resultant responsivity, detectivity, and external quantum efficiency are 1.146A/W, 7.14 × 1011Jones, and 5.605 %, respectively, more than one order of magnitude higher than the undoped device. This work indicates that Si is an effective n-type dopant for improving the detection performance of β-Ga2O3 film based solar-blind UV photodetectors.
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