Onderzoek naar energieband bij Atomic-Layer-Deposited ZnO/β-Ga2O3 ($ \overline{2}01 $) Heterojuncties

Abstract

De uitlijning van de energieband van ZnO/β-Ga₂ O₃ ($ \overline{2}01 $) heterojunctie werd gekarakteriseerd door röntgenfoto-elektronspectroscopie (XPS). De ZnO-films werden gekweekt met behulp van atomaire laagafzetting bij verschillende temperaturen. Een type-I banduitlijning werd geïdentificeerd voor alle ZnO/β-Ga₂ O₃ heterojuncties. De offset van de geleidingsband (valentie) varieerde van 1,26 (0,20) eV tot 1,47 (0,01) eV, waarbij de groeitemperatuur toenam van 150 tot 250 °C. De verhoogde geleidingsband-offset met temperatuur wordt voornamelijk veroorzaakt door Zn-interstitials in ZnO-film. Ondertussen is het acceptor-type complex defect V_zn + OH zou de verminderde valentieband-offset kunnen verklaren. Deze bevindingen zullen het ontwerp en de fysieke analyse van ZnO/β-Ga₂ . vergemakkelijken O₃ relevante elektronische apparaten.

Inleiding

Galliumoxide (Ga₂ O₃ ) is op grote schaal onderzocht als een veelbelovend ultrawide bandgap halfgeleidermateriaal voor de volgende generatie vermogenselektronica vanwege zijn unieke eigenschappen [1]. Onder verschillende polymorfen (α, β, γ, δ en ε), monokliene β-Ga₂ O₃ heeft de meeste thermische stabiliteit [2]. Bovendien, β-Ga₂ O₃ heeft een bandgap bij kamertemperatuur van 4,5~4,9 eV en een uitstekende chemische stabiliteit [3]. Vooral β-Ga₂ O₃ heeft een hoge bulk elektronenmobiliteit van ∼100 cm² /V·s, veel hoger doorslagveld van 8 MV/cm dan dat van SiC (3,18 MV/cm) of GaN (3 MV/cm) [4], en de dragerconcentratie kan gemakkelijk worden gemoduleerd door Sn en Si te doteren [ 5, 6]. Daarom, β-Ga₂ O₃ -gebaseerde apparaten, waaronder zonneblinde fotodetectoren [7] en metaaloxide-halfgeleider veldeffecttransistoren (MOSFET's) [8] zijn gerapporteerd. Er zijn echter nog steeds beperkingen in β-Ga₂ O₃ -gebaseerde apparaten, zoals het slechte ohmse contact tussen het metaal en β-Ga₂ O₃ [9]. In het afgelopen jaar is het invoegen van een metaaloxide-halfgeleider-tussenlaag met hoge elektronenconcentratie, d.w.z. een tussenliggende halfgeleiderlaag (ISL) tussen het metaal en Ga₂ O₃ , is een effectieve resolutie gebleken omdat de modulatie van de energiebarrière op de interface [10,11,12].

Zinkoxide (ZnO) heeft veel aandacht getrokken omdat het een grote excitonbindingsenergie heeft van 60 meV, een hoge elektronenconcentratie van> 10¹⁹ cm⁻³ , en een sterke cohesieve energie van 1,89 eV. [13, 14] Bovendien is de roostermismatch tussen ZnO en Ga₂ O₃ binnen 5% ligt [15]. Er zijn verschillende depositietechnieken ontwikkeld om ZnO-film te bereiden, waaronder de hydrothermische methode [16, 17] en chemische dampafzetting (CVD). [18] De hydrothermische methode vereist echter een gecompliceerd proces en de groeisnelheid is rustig langzaam, en CVD vereist over het algemeen een rustige hoge groeitemperatuur boven 900 °C. Deze nadelen maken het een uitdaging om in apparaten te worden toegepast. Onlangs is atomaire laagafzetting (ALD) naar voren gekomen als een veelbelovende techniek, die uitstekende stapdekking, atomaire schaaldiktecontrole, goede uniformiteit en een relatief lage depositietemperatuur vertoont. Dientengevolge kan ZnO met een atomaire laag op halfgeleiders met een brede bandgap de interface-stoornis verminderen en een beter controleerbaar monster opleveren om de uitlijning van de energieband te onderzoeken, die een belangrijke rol speelt in het transportproces van de drager [19]. Tot nu toe banduitlijning tussen Ga₂ O₃ en in de atoomlaag afgezet ZnO is niet experimenteel onderzocht, hoewel er enkele rapporten zijn over de theoretische banduitlijning van ZnO en Ga₂ O₃ . [20] Daarom, het begrijpen van de uitlijning van de energieband van in de atoomlaag afgezet ZnO/β-Ga₂ O₃ heterojunctie is zeer wenselijk voor het ontwerp en de fysieke analyse van relevante apparaten in de toekomst. In dit werk wordt de uitlijning van de energieband van in de atoomlaag afgezet ZnO op β-Ga₂ O₃ werd gekarakteriseerd door röntgenfoto-elektronspectroscopie (XPS). Bovendien werd ook aandacht besteed aan de invloed van de groeitemperatuur van ZnO op de banduitlijning.

Methoden

β-Ga₂ O₃ ($ \overline{2}01 $) substraten met een Sn-dopingconcentratie van ~ 3 × 10¹⁸ /cm³ werden in kleine stukjes gesneden ter grootte van 6 × 6 mm² . De in blokjes gesneden monsters werden afwisselend gereinigd in aceton, isopropanol door ultrasone reiniging voor elke 10 min, vervolgens gespoeld met gedeïoniseerd water om resterende organische oplosmiddelen te verwijderen. Daarna Ga₂ O₃ substraten werden overgebracht naar een ALD-reactor (Wuxi MNT Micro Nanotech co., LTD, China). De groeisnelheid van ZnO-films was ~ -1,6 / cyclus. Zowel 40 als 5 nm ZnO-films werden gekweekt op schoongemaakt β-Ga₂ O₃ met Zn (C₂ H₅ )₂ (DEZ) en H₂ O bij elke temperatuur van respectievelijk 150, 200 en 250 °C. De dikte van bereide ZnO-films werd gemeten met een Ellipsometer (Sopra GES-5E). De ZnO(40 nm)/β-Ga₂ O₃ werd gebruikt als bulkstandaard en de ZnO(5 nm)/β-Ga₂ O₃ werd gebruikt om de banduitlijning te bepalen, ondertussen de kale massa β-Ga₂ O₃ werd als controlemonster gebruikt. XPS (AXIS Ultra DLD, Shimadzu) metingen met een stap van 0,05 eV werden uitgevoerd om de valentieband maximum (VBM), Ga 2p en Zn 2p spectra te meten. Om interferentie van oppervlakteoxidatie en verontreiniging te voorkomen, werden alle monsters vóór XPS-meting gedurende 3 minuten geëtst door Ar-ion met een spanning van 2 kV. Merk op dat alle XPS-spectra werden gekalibreerd door C 1s-piek bij 284,8 eV om het oplaadeffect te compenseren. Om de bandgap te identificeren, worden de optische transmissiespectra van Ga₂ O₃ en ZnO werden gemeten met ultraviolet-zichtbare (UV-VIS) spectroscopie (Lambda 750, PerkinElmer, VS).

Resultaten en discussie

Figuur 1 toont de variatie van (αhv )^1/n als functie van fotonenergie voor bulk β-Ga₂ O₃ en de als gegroeide ZnO-film afgezet bij 200 ° C. De optische band gap (E _g ) van de ZnO-film en β-Ga₂ O₃ kan worden bepaald door de relatie van Tauc [21]:(αhv )^1/n = A (hv − E _g ), waarbij α de absorptiecoëfficiënt is, A een constante is, hv is de invallende fotonenergie, E _g is de optische energiebandgap, n is 1/2 voor de directe bandgap en 2 voor de indirecte bandgap. Hier zowel ZnO als β-Ga₂ O₃ hebben een typische directe band gap die de waarde van n . maakt is 1/2. Vervolgens E _g kan worden geëxtraheerd door het rechte lijngedeelte te extrapoleren naar de energiebias bij α = 0. Daarom is de geëxtraheerde E _g van ZnO en β-Ga₂ O₃ zijn respectievelijk 3,20 eV en 4,65 eV, in goede overeenstemming met de gerapporteerde. [22, 23]

De plot van (αhv )² versus hv voor een ZnO-film gegroeid op kwartsglas b β-Ga₂ O₃ substraat. De inzet toont de optische transmissiespectra van ZnO en β-Ga₂ O₃ , respectievelijk

De valentiebandoffset (VBO) kan worden bepaald met de methode van Kraut met behulp van de volgende formule [24]

$$ \Delta {E}_V=\left({E}_{Ga\ 2p}^{Ga_2{O}_3}-{E}_{VBM}^{Ga_2{O}_3}\right)-\ left({E}_{Zn\ 2p}^{Zn O}-{E}_{VBM}^{Zn O}\right)-\left({E}_{Ga\ 2p}^{Ga_2{O }_3}-{E}_{Zn\ 2p}^{Zn O}\right), $$ (1)

waarbij $ {E}_{Ga\ 2p}^{Ga_2{O}_3}-{E}_{VBM}^{Ga_2{O}_3} $ $ \Big({E}_{Zn\ 2p}^{Zn O}-{E}_{VBM}^{Zn O} $) staat voor het energieverschil tussen Ga 2p (Zn 2p) kernniveau (CL) en VBM van bulk β-Ga₂ O₃ (ZnO), en $ {E}_{Ga\ 2p}^{Ga_2{O}_3}-{E}_{Zn\ 2p}^{Zn O} $ geeft aan als het energieverschil tussen Ga 2p en Zn 2p kernniveaus. Figuur 2 toont alle CL-spectra inclusief Zn 2p van ZnO (40 nm)/β-Ga₂ O₃ en ZnO (5 nm)/β-Ga₂ O₃ , Ga 2p van bulk Ga₂ O₃ en ZnO (5 nm)/β-Ga₂ O₃ , evenals valentiebandspectra van bulk Ga₂ O₃ en ZnO (40 nm)/β-Ga₂ O₃ . Figuur 2a toont de CL-spectra van Zn 2p op de ZnO (40 nm)/β-Ga₂ O₃ , die stil symmetrisch is en de uniforme bindingstoestand aangeeft, en de piek lokaliseert op 1021.09 eV komt overeen met de Zn-O-binding [25]. De VBM kan worden bepaald met behulp van een lineaire extrapolatiemethode [26]. De VBM van ZnO bevindt zich op 2,11 eV. In Fig. 2b komt de piek op 1117,78 eV overeen met de Ga-O-binding [27] en de VBM van Ga₂ O₃ wordt afgeleid als 2,74 eV volgens de hierboven genoemde methode. De CL's van Zn 2p en Ga 2p in de ZnO (5 nm)/β-Ga₂ O₃ worden getoond in Fig. 2c. Volgens vgl. (1), het VBO op het grensvlak van ZnO/Ga₂ O₃ wordt bepaald op 0,06 eV.

XPS-spectra met hoge resolutie voor kernniveau en maximale valentieband (VBM) van a Zn 2p kernniveau spectrum en VBM vanaf 40 nm ZnO/β-Ga₂ O₃ , b Ga 2p kernniveau spectrum en VBM van kale β-Ga₂ O₃ , en c de kernniveauspectra van Ga 2p en Zn 2p verkregen uit hoge-resolutie XPS-spectra van 5 nm ZnO/β-Ga₂ O₃

Gebaseerd op de berekende E _g en ∆E _V , de conduction band offset (CBO) bij de ZnO/Ga₂ O₃ interface kan eenvoudig worden afgeleid uit de volgende vergelijking:

$$ \Delta {E}_C={E}_g^{Ga_2{O}_3}-{E}_g^{ZnO}-\Delta {E}_V, $$ (2)

waarbij$ {E}_g^{Ga_2{O}_3} $ en $ {E}_g^{ZnO} $ de energiebandgap zijn voor β-Ga₂ O₃ en ZnO, respectievelijk. Het gedetailleerde energiebanddiagram voor ZnO/β-Ga₂ O₃ is afgebeeld in Fig. 3. De interface heeft een type-I-banduitlijning, waarbij zowel de geleidings- als de valentiebandranden van ZnO zich binnen de bandgap van β-Ga₂ bevinden O₃ .

Schematisch banduitlijningsdiagram van de ZnO (200 °C)/β-Ga₂ O₃ heterojunctie

Om het effect van de groeitemperatuur op de banduitlijning tussen ZnO en β-Ga₂ verder te onderzoeken O₃ , worden de ZnO-films ook gekweekt bij 150 en 250 ° C. Merk op dat ZnO-films die door ALD zijn bereid bij temperaturen van 150-250 ° C een polykristallijn karakter hebben. Figuur 4 toont de O 1s XPS-spectra met hoge resolutie van de ZnO-films die bij verschillende temperaturen zijn gekweekt. Elk O 1s-spectrum kan goed worden gescheiden in drie componenten met behulp van de Gauss-Lorentz-functie. De pieken gecentreerd op 530,0 (O1), 531,6 (O2) en 532,4 (O3) eV komen respectievelijk overeen met de Zn-O-banden, zuurstofvacatures en -OH-groep [28, 29]. Het relatieve percentage van verschillende componenten wordt ook berekend volgens het piekoppervlak, verteerd in Fig. 4. Het laat zien dat het relatieve gehalte aan zuurstofvacatures toeneemt van 10,7 tot 15,0% als gevolg van de afbraak van voorlopers en de toename van Zn-interstitials. De –OH-tegenhanger neemt echter af van 5,1 naar 1,9% vanwege meer volledige reacties tussen DEZ-precursoren en oppervlakte-OH-groepen in dit temperatuurbereik [30].

Hoge resolutie O 1 s XPS-spectra van de ZnO-films gekweekt op a 150 °C, b 200 °C en c 250 °C, respectievelijk

Figuur 5 toont de bandoffsets van ZnO/β-Ga₂ O₃ heterojuncties als functie van de groeitemperatuur. De CBO stijgt van 1,26 naar 1,47 eV waarbij de groeitemperatuur varieert van 150 tot 250 °C. De natieve donordefecten omvatten de Zn-antipositie, zuurstofvacatures en Zn-interstitials. De vormingsenergie van anti-positie-atomen is echter zo hoog dat de concentratie ervan extreem laag is. De Zn-interstitials hebben meer invloed op het geleidingsbandminimum (CBM) dan die van de zuurstofvacature omdat de CBM voornamelijk wordt gedomineerd door de 4s-baan van het Zn-atoom. [31] Als gevolg hiervan zou de verhoogde CBO van 0,21 eV voornamelijk kunnen worden bijgedragen door Zn-interstitials. Anderzijds daalt de VBO van 0,20 naar 0,01 eV en stijgt de groeitemperatuur van 150 naar 250 °C. De natieve acceptordefecten omvatten de O-antipositie, Zn-vacatures en zuurstofinterstitials [32], waarvan de vormingsenergieën hoog zijn en hun aantal zelfs verwaarloosbaar kan zijn. Bovendien bevinden de meest inheemse acceptorniveaus zich diep binnen de ZnO-bandgap, dus hebben ze weinig effect op de VBM [33]. Echter, V_zn + OH is gunstig om duo te presenteren aan de lage formatie-energie, [34] V_zn + OH kan voorkomen bij een elektron dat tot OH-bindingen behoort. Het rooster waterstof H⁺ ion fungeert als een compensatiecentrum en kan binden met de V_Zn rond de dislocatie- en stapelfoutenkern, waardoor het acceptortype complexe defect voor p-type geleidbaarheid [35] wordt gegarandeerd. Meer resterende –OH-groepen in de ZnO-film worden verkregen bij een lagere groeitemperatuur, namelijk 150 ° C [36]. Het acceptorniveau nabij de VBM neemt af met de temperatuur, wat leidt tot een effectief neerwaartse verschuiving in E _V van ZnO, dus de ∆E _V lager wordt. Daarom zou het bij lagere temperatuur gedeponeerde ZnO efficiënter kunnen zijn om de barrièrehoogte op het grensvlak tussen het metaal en Ga₂ te verminderen O₃ .

De geleidings- en valentieband-offsets van in de atoomlaag afgezet ZnO/β-Ga₂ O₃ heterojuncties vervaardigd bij verschillende temperaturen

Conclusies

Samengevat, de uitlijning van de energieband bij in de atoomlaag afgezet ZnO/β-Ga₂ O₃ ($ \overline{2}01 $) werd gekenmerkt door XPS. Een type-I banduitlijning gevormd bij de ZnO/β-Ga₂ O₃ koppel. De geleidingsband-offset nam toe van 1,26 tot 1,47 eV, terwijl de valentieband-offset afnam van 0,20 tot 0,01 eV terwijl de temperatuur toenam van 150 tot 250 °C. Deze waarnemingen suggereren dat het bij lagere temperatuur gedeponeerde ZnO gunstig is om een veelbelovende ISL te zijn om de hoogte van de elektronenbarrière bij de ZnO/β-Ga₂ te verminderen. O₃ interface.