Hoogwaardige diepe ultraviolette fotodetector op basis van NiO/β-Ga2O3 heterojunctie

Resultaten en discussie

Afbeelding 1a toont de XRD-patronen van de Ga₂ O₃ film gegroeid op (0001) vlak van saffiersubstraat voor en na uitgloeien. Vóór het uitgloeien vertoonde de film zoals afgezet in een amorfe toestand, aangezien slechts twee pieken (gemarkeerd als "*") die geassocieerd waren met het substraat in het patroon werden waargenomen. Na het uitgloeien van de film bij 800 °C, vertoonde het XRD-patroon zes karakteristieke pieken die overeenkomen met kristalvlakken van de β-fase van Ga₂ O₃ , die behoort tot het monokliene kristalsysteem. Het waargenomen patroon komt overeen met eerder gerapporteerd werk [15, 16]. Deze karakteristieke pieken van het gegloeide β-Ga₂ O₃ film onthulde een goede kristalliniteit met preferentiële oriëntatie langs de familie van (\( \overline{2} \) 01) kristalvlakken.

een XRD-patronen van de β-Ga₂ O₃ film afgezet op saffiersubstraat (0001) vlak, en de toppen van saffiersubstraat zijn gemarkeerd als asterisken (*). b UV-Vis absorptiespectra van de β-Ga₂ O₃ film. c Percelen van [α (hν )] ² versus fotonenergie. d–e TEM- en HRTEM-beelden van de β-Ga₂ O₃ film na gloeien. v AFM-beelden van de β-Ga₂ O₃ film. g–h Optische en AFM-beelden aan de rand tussen de film en het substraat

Afbeelding 1d en e zijn TEM- en HRTEM-afbeeldingen van de β-Ga₂ O₃ film na gloeien. Zoals getoond, waren de roosterrandafstanden van (\( \overline{2} \) 01), (400) en (\( \overline{2} \) 02) kristalvlakken 4,69 Å, 2,97 Å en 2,83 Å , wat wederom een ​​goede kristalliniteit suggereert en goed in overeenstemming is met eerder gerapporteerd werk in de literatuur [17, 18].

AFM-beeld van de β-Ga₂ O₃ film afgezet op saffiersubstraat wordt getoond in Fig. 1f. De als afgezette film vertoonde een uniforme korrelige oppervlaktetopografie met een relatief kleine root-mean-square (RMS) oppervlakteruwheid van 1,36 nm. Na het uitgloeien nam de RMS-ruwheid van de film toe tot 1,68 nm. Een dergelijke toename van de RMS-ruwheid na uitgloeien werd ook gerapporteerd door Hao et al [19]. Het is mogelijk dat de uitgloeibehandeling kan resulteren in structurele oppervlaktedefecten. Verdere studies zijn nodig om de oorzaak van verandering in oppervlaktemorfologie na uitgloeien te begrijpen. AFM-topografiebeelden van de staprand tussen de film en het substraat voor en na het uitgloeien worden getoond in Fig. 1 g en h, waarbij de lijnprofielen (in de inzet) een filmdikte aangaven van 114 ± 6.4 nm en 123 ± 2.0 nm ( ongeveer 8% stijging), respectievelijk. De toename in filmdikte en RMS na uitgloeien zou kunnen zijn dat de faseovergang van amorf naar kristalliniteit leidt tot de groei van nanokristallen.

UV-Vis absorptiespectra van de β-Ga₂ O₃ films voor en na het uitgloeien worden getoond in Fig. 1b. Beide films vertoonden een sterke UV-absorptie in het bereik van 190-300 nm en bijna geen absorptie in de zichtbare lichtband. Hieruit bleek dat de gloeibehandeling geen significant effect had op de absorptierand. Het resulteerde slechts in een kleine roodverschuiving van ongeveer 10 nm met een lichte verbetering van de absorptiepiek. vgl. (1) kan worden gebruikt om de optische bandgap-energie te schatten (E g) van de film.

waar α is absorptiecoëfficiënt, hν is fotonenenergie, en A is een constante. Rekening houdend met de door AFM gemeten filmdiktes, is de E g van de afgezette en gegloeide films kan worden bepaald uit de grafieken in figuur 1c, die respectievelijk een waarde van 5,137 eV en 5,135 eV aangaven. Deze waarden liggen dicht bij de theoretische E g van 4,9 eV voor β-Ga₂ O₃ .

XPS-spectra van de β-Ga₂ O₃ film worden getoond in Fig. 2. Figuur 2a-c en d-f tonen XPS-spectra van respectievelijk de volledige scan, Ga- en O-elementen voor en na uitgloeien. Het C-element dat op de volledige scan werd waargenomen, was onvoorziene koolstof. Na gloeien was de C1 s-piek significant verminderd, wat aangeeft dat de meeste koolstof tijdens de gloeibehandeling was verwijderd. De bindingsenergie van Ga3d in Fig. 2 b en e komen overeen met respectievelijk 21,14 eV en 20,70 eV, wat overeenkomt met de Ga-O-binding van de monsters, en de bindingsenergie na uitgloeien wordt verminderd met 0,44 eV. De O 1 s-pieken waren uitgerust met twee componenten die verband houden met zuurstofvacatures (O_V ) en roosterzuurstof (O_L ). De oppervlakteverhoudingen van O_V en O_L (bijv. S_OV :S_OL) voor en na gloeien waren respectievelijk 0,47 en 0,12. Dit suggereert een toename van de roosterzuurstofatomen als gevolg van de gloeibehandeling die leidt tot kristallisatie wanneer zuurstofatomen naar hun geschikte roosterplaatsen gaan.

XPS-spectra van de β-Ga₂ O₃ film. Survey scan, Ga 3d en O1s kernniveaupieken verkregen vóór uitgloeien worden weergegeven in a–c en na gloeien worden weergegeven in d–f , respectievelijk

Een UV-fotodetector bestaande uit de β-Ga₂ O₃ film is gemaakt. Er is een eenvoudige verticale structuur ontworpen voor de fotodetector, die bestaat uit ITO/NiO/Ga₂ O₃ /Al. Een schematisch diagram van de apparaatstructuur wordt getoond in Fig. 3a. Een NiO-laag werd eerst gesputterd op een ITO-gecoat kwartssubstraat na toepassing van dezelfde natte reinigingsprocedures als het saffiersubstraat, en de gedetailleerde voorbereiding en karakteriseringen van NiO-film werden getoond in aanvullend bestand 1:Afbeelding S1 en Afbeelding S2. Ga₂ O₃ laag werd vervolgens gesputterd met gebruikmaking van de bovengenoemde afzettingsparameters. De voorbereide heterojunctie werd gedurende 30 minuten bij 600 °C in de lucht gegloeid om schade aan ITO door verhitting te voorkomen (met de wetenschap dat β-Ga₂ O₃ kan worden gevormd bij een gloeitemperatuur boven 550 °C), gevolgd door dampafzetting van Al-elektroden (2 × 2 mm ² ) op het oppervlak van Ga₂ O₃ film. Ten slotte werden de Al-elektroden en het ITO-substraat respectievelijk als bovenste en onderste elektroden gebruikt.

een Schematisch diagram met de apparaatstructuur bestaande uit ITO/NiO/β-Ga₂ O₃ /Al. b Energiebanddiagram van de fotodetector. c–d Gemeten J-V en log J-V krommen, respectievelijk, van de fotodetector verlicht met een licht van verschillende golflengten, en onder donkere omstandigheden. e–f Gemeten J-V en log J-V krommen, respectievelijk, van de fotodetector onder een UV-verlichting van 245 nm met verschillende vermogensdichtheid. g–h Responsiviteit (R ) en detectiviteit (D *), respectievelijk, van de fotodetector bij verschillende voorspanningen onder 245 nm lichtverlichting

Figuur 3b toont het energiebanddiagram van de fotodetector. We hebben de E . berekend g NiO-film volgens Vgl. (1) zoals weergegeven in Aanvullend bestand 1:Afbeelding S3. De E g NiO-film is ongeveer 3,4 eV na uitgloeien. De brede bandgap-energie van de β-Ga₂ O₃ (5,1 eV) en NiO (3,4 eV) lagen reageren op UV-licht. Onder UV-verlichting (hν ), krijgen elektronen voldoende energie om door de geleidingsband te gaan en elektron-gatparen te genereren. Deze door foto gegenereerde elektron-gatparen werden gescheiden door het ingebouwde elektrische veld en verzameld door de respectieve elektroden. Hier kan de heterostructuur met de juiste banduitlijning de ladingsscheiding en -verzameling vergemakkelijken.

De prestatie van de heterojunctie-fotodetector werd bestudeerd aan de hand van de gemeten J -V en log J -V percelen, die werden verkregen uit het achtergrondverlichting incident apparaat. Afbeelding 3 c en d illustreren de J -V en log J -V krommen van de fotodetector verlicht met respectievelijk verschillende golflengtelampen en onder donkere omstandigheden. Toen de fotodetector werd verlicht door een UV-licht van 245 nm bij 27 Wcm ⁻² , een drastische toename van een stroomdichtheid, tot 1,38 mAcm ⁻² , werd waargenomen bij een aangelegde spanning van 10 V. De stroomdichtheid neemt ook toe bij bestraling met 285 en 365  nm UV-lampen. Er kunnen echter meer elektron-gatparen effectief worden geëxciteerd door 245 nm UV-licht in vergelijking met andere twee UV-lampen, wat de diepe UV-detectie van het apparaat laat zien.

J -V en log J -V krommen van de fotodetector werden gemeten onder een UV-belichting van 245 nm met variërende vermogensdichtheid, zoals weergegeven in respectievelijk Fig. 3 e en f. Metingen werden uitgevoerd onder donkere en UV-lichtomstandigheden. De stroomdichtheid neemt toe met de lichtintensiteit onder een UV-verlichting van 245 nm, wat suggereert dat de fotodetector fotostroom kan genereren als reactie op 245 nm UV-licht.

Het effect van voorspanning op de responsiviteit (R ) van het apparaat wordt getoond in Fig. 3g. R is gerelateerd aan de fotostroomdichtheid (J _ph ) volgens vgl. (2) [5]:

waar P _opt. is de foton-vermogensdichtheid met een waarde van 1,5 mWcm ⁻² . Een toename van R was duidelijk uit Fig. 3g toen de voorspanning van het apparaat toeneemt onder een vaste foton-vermogensdichtheid. De maximale R was 27,43 AW ⁻¹ gemeten onder een verlichting van 245 nm (27 μWcm ⁻² ) bij de voorspanning van 10 V.

Detectiviteit (D *) is een andere belangrijke parameter voor het evalueren van de prestaties van fotodetectoren. D * van de fotodetector kan worden berekend met Vgl. (3) als volgt [20, 21]:

waar q is absolute elektronenlading (1,602 × 10 ⁻¹⁹ C) en J _d is donkere stroomdichtheid. De relatie tussen D * en de voorspanning wordt getoond in Fig. 3h, die een toename in D . laat zien * naarmate de voorspanning toeneemt. De maximale D * was 3,14 × 10 ¹² cmHz ^1/2 W ⁻¹ gemeten onder een verlichting van 245 nm (27 μWcm ⁻² ) bij de voorspanning van − 10 V. Gebaseerd op de waarden van R en D *, de NiO/β-Ga₂ O₃ fotodetector toonde hoge prestaties in UV-detectie, vergeleken met andere op NiO gebaseerde en Ga₂ O₃ -gebaseerde UV-detectoren weergegeven in tabel 1.