Energiebanduitlijning in atoombaag-gedeponeerde ZnO/β‑Ga₂O₃ (over 2 01) heterojuncties onthuld door XPS

Samenvatting

We onderzochten de banduitlijning van ZnO/β‑Ga₂O₃ (over 2 01) heterojuncties met behulp van röntgenfoto-elektronspectroscopie (XPS). ZnO-lagen gedeponeerd via atoombaagdepositie (ALD) werden gegroeid bij 150 °C, 200 °C en 250 °C. Alle interfaces vertoonden een type‑I uitlijning. De geleidingsbandoffset (CBO) steeg van 1,26 eV naar 1,47 eV toen de groeitemperatuur toename, terwijl de valentiebandoffset (VBO) daalde van 0,20 eV naar 0,01 eV. De toename van de CBO wordt toegeschreven aan Zn-interstitiëlen, terwijl de afname van de VBO voortkomt uit de acceptor‑type V_Zn + OH complex. Deze inzichten bieden een kwantitatieve basis voor het ontwerpen van ZnO/β‑Ga₂O₃ heterostructuren in high‑power elektronica.

Inleiding

Galliumoxide (Ga₂O₃) profileert zich als een toonaangevende ultrawijd‑bandgap (UWBG) halfgeleider voor de volgende generatie vermogensapparaten, dankzij de bandgap van 4,5–4,9 eV, uitzonderlijke thermische stabiliteit en een doorlaagveld van 8 MV cm⁻¹ dat SiC en GaN overtreft [1–4]. Van de polymorfen biedt monoclien β‑Ga₂O₃ de hoogste thermische weerstand en een bulk‑elektronenmobiliteit van ≈100 cm² V⁻¹ s⁻¹, wat het aantrekkelijk maakt voor zonneblinde fotodetectoren en MOSFETs [5–8]. Toch blijft het realiseren van laag‑weerstands ohmische contacten een uitdaging [9], en het invoegen van een intermediaire halfgeleiderlaag (ISL) met een hoge elektronenconcentratie heeft zich als effectief bewezen om interfacebarrières te verminderen [10–12]. Zinkoxide (ZnO) is een veelbelovende ISL‑kandidaat: het heeft een bandgap van 3,3 eV, een hoge excitonbindingsenergie (60 meV) en een elektronenconcentratie boven 10¹⁹ cm⁻³ [13–15]. De rooster mismatch met β‑Ga₂O₃ is onder de 5 %, wat spanning minimaliseert. Traditionele depositiemethoden – hydrothermaal en CVD – lijden ofwel onder trage groei, ofwel vereisen temperaturen boven 900 °C, wat de integratie in apparaten beperkt. Atoombaagdepositie (ALD) biedt echter sub‑nanometer diktecontrole, uitstekende stapbedekking en lage depositietemperaturen, ideaal voor het vervaardigen van hoogwaardige ZnO-lagen op β‑Ga₂O₃. Ondanks theoretische voorspellingen van ZnO/β‑Ga₂O₃ bandoffsets [20], ontbrak experimentele bevestiging. Deze studie vult die leemte door de banduitlijning van ALD‑gegroeid ZnO op β‑Ga₂O₃ te meten en de temperatuursafhankelijkheid van de offsets te bestuderen.

Methoden

Sn‑gedopeerde β‑Ga₂O₃ (over 2 01) substraatjes (≈3 × 10¹⁸ cm⁻³) werden gesneden in 6 × 6 mm² stukjes. Deze werden achtereenvolgens gereinigd in aceton en isopropanol (10 min elk, ultrasonisch), gevolgd door afspoelen met gedemineraliseerd water. De substraatjes werden vervolgens geladen in een Wuxi MNT Micro‑Nanotech ALD‑reactor. ZnO-lagen (5 nm en 40 nm) werden gedeponeerd bij 150 °C, 200 °C en 250 °C met Zn(C₂H₅)₂ (DEZ) en H₂O als precursoren. De groeisnelheid was ~1,6 Å per cyclus. Laagdiktes werden geverifieerd met een Sopra GES‑5E ellipsometer. Een 40‑nm ZnO/β‑Ga₂O₃ monster diende als bulk‑referentie, terwijl 5‑nm ZnO/β‑Ga₂O₃ gebruikt werd voor bandoffset‑bepaling; onbedekt β‑Ga₂O₃ was de controle. XPS‑metingen (AXIS Ultra DLD, Shimadzu) werden uitgevoerd met 0,05 eV stappen, na een 3‑minuten Ar‑ionenets bij 2 kV om oppervlakteverontreiniging te verwijderen. Alle spectra gekalibreerd op de C 1s piek op 284,8 eV. De valentiebandmaximums (VBM) werden bepaald door lineaire extrapolatie van de voorste flank. UV‑VIS transmissiespectra (Lambda 750, PerkinElmer) werden opgenomen om optische bandgaps te bepalen via Tauc‑analyse.

Resultaten en discussie

Figuur 1 toont de Tauc‑plots (αhv)¹ᐟ² versus fotonenergie voor bulk β‑Ga₂O₃ en ZnO gegroeid bij 200 °C. De geëxtraheerde optische bandgaps zijn 4,65 eV voor β‑Ga₂O₃ en 3,20 eV voor ZnO, in overeenstemming met de literatuur [22, 23].

Figuur 1. (a) (αhv)¹ᐟ² versus fotonenergie voor ZnO op kwarts; (b) voor β‑Ga₂O₃ op substraat. Insets tonen de bijbehorende transmissiespectra.

De VBO werd berekend met de methode van Kraut:

$$\Delta E_V = (E_{Ga2p}^{Ga_2O_3} - E_{VBM}^{Ga_2O_3}) - (E_{Zn2p}^{ZnO} - E_{VBM}^{ZnO}) - (E_{Ga2p}^{Ga_2O_3} - E_{Zn2p}^{ZnO})$$

Kern‑niveauspectra (Figuur 2) tonen symmetrische Zn 2p en Ga 2p pieken, wat uniforme binding bevestigt. De Zn 2p piek op 1021,09 eV en de Ga 2p piek op 1117,78 eV corresponderen respectievelijk met Zn–O en Ga–O bindingen. VBM‑waarden van 2,11 eV (ZnO) en 2,74 eV (β‑Ga₂O₃) werden verkregen via lineaire extrapolatie. Toepassing van Verg. (1) geeft een VBO van 0,06 eV.

Figuur 2. Hoog‑resolutie XPS‑spectra van (a) Zn 2p en VBM (40 nm ZnO/β‑Ga₂O₃), (b) Ga 2p en VBM (kaal β‑Ga₂O₃), en (c) Ga 2p/Zn 2p (5 nm ZnO/β‑Ga₂O₃).

De CBO volgt uit:

$$\Delta E_C = E_g^{Ga_2O_3} - E_g^{ZnO} - \Delta E_V$$

Het resulterende banddiagram (Figuur 3) bevestigt een type‑I uitlijning, met zowel de geleidings‑ als valentieband van ZnO volledig genest in de bandgap van β‑Ga₂O₃.

Figuur 3. Schema van de banduitlijning van de ZnO (200 °C)/β‑Ga₂O₃ heterojunctie.

Om temperatureffecten te beoordelen, werden ZnO-lagen ook gegroeid bij 150 °C en 250 °C. Hoog‑resolutie O 1s spectra (Figuur 4) ontbonden in Zn–O, zuurstofvacature‑ en –OH componenten. De fractie zuurstofvacatures steeg van 10,7 % naar 15,0 % bij hogere temperatuur, terwijl –OH daalde van 5,1 % naar 1,9 %. Deze trends wijzen op verbeterde precursordecompositie en volledigere oppervlaktereacties bij hogere temperaturen.

Figuur 4. Hoog‑resolutie O 1s XPS‑spectra van ZnO-lagen bij (a) 150 °C, (b) 200 °C, en (c) 250 °C.

Figuur 5 vat de temperatuursafhankelijkheid van de offsets samen. De CBO stijgt van 1,26 eV naar 1,47 eV, voornamelijk door toegenomen Zn‑interstitiëlen die het geleidingsbandminimum (CBM) verschuiven. De VBO daalt van 0,20 eV naar 0,01 eV naarmate de temperatuur stijgt, toegeschreven aan het afnemende effect van het acceptor‑complex V_Zn + OH, dat prevalenter is bij lagere temperaturen. Lagere‑temperatuur ZnO‑depositie levert dus een verminderde elektronenbarrière op de interface op, wat gunstig is voor ISL‑ontwerp.

Figuur 5. Geleidings‑ en valentiebandoffsets van atoombaag‑gedeponeerde ZnO/β‑Ga₂O₃ heterojuncties als functie van de groeitemperatuur.

Conclusies

Atoombaag‑gedeponeerd ZnO op β‑Ga₂O₃ (over 2 01) vertoont een duidelijke type‑I banduitlijning. Naarmate de ZnO‑groeitemperatuur stijgt van 150 °C naar 250 °C, groeit de CBO van 1,26 eV naar 1,47 eV, terwijl de VBO daalt van 0,20 eV naar 0,01 eV. Deze trends worden bepaald door temperatuursafhankelijke defectchemie – Zn‑interstitiëlen verhogen de CBO, terwijl het V_Zn + OH complex de VBO verlaagt. Lagere‑temperatuur ZnO‑depositie is daarom voordelig als intermediaire halfgeleiderlaag om elektronenbarrière‑hoogtes in β‑Ga₂O₃‑gebaseerde vermogensapparaten te verlagen.

Afkortingen

ALD

Atoombaagdepositie

CBM

Conduction band minimum

CBO

Conduction band offset

CVD

Chemical vapor deposition

DEZ

Zn(C₂H₅)₂

Ga₂O₃

Galliumoxide

GaN

Galliumnitride

ISL

Intermediate semiconductor layer

MOSFETs

Metal‑oxide‑semiconductor field‑effect transistors

OH

Hydroxyl

SiC

Silicon carbide

UV‑VIS

Ultraviolet‑visible spectroscopy

VBM

Valence band maximum

VBO

Valence band offset

XPS

X‑ray photoelectron spectroscopy

ZnO

Zinkoxide