Onderzoek van energieband op atomaire laag afgezette AZO/β-Ga2O3 (\( \overline{2}01 \)) heterojuncties

Resultaten en discussies

De valentieband-offset (VBO) van met Al-gedoteerde ZnO/β-Ga₂ O₃ heterojunctie kan worden verkregen door de formule als volgt [18]:

waarbij\( {E}_{\mathrm{Ga}\ 2p}^{{\mathrm{Ga}}_2{\mathrm{O}}_3} \) verwijst naar de bindingsenergie (BE) van Ga 2p kernniveau (CL) in bulk β-Ga₂ O₃ , \( {E}_{\mathrm{VBM}}}^{{\mathrm{Ga}}_2{\mathrm{O}}_3} \) verwijst naar de BE van VBM in bulk β-Ga₂ O₃ , \( {E}_{\mathrm{Zn}\ 2p}^{\mathrm{AZO}} \) verwijst naar de BE van Zn 2p CL in dikke Al-gedoteerde ZnO-films, \( {E}_{\mathrm{VBM}}^{\mathrm{AZO}} \) verwijst naar de BE van VBM in dikke Al-gedoteerde ZnO-films. De laatste \( {E}_{\mathrm{Ga}\ 2p}^{{\mathrm{Ga}}_2{\mathrm{O}}_3} \) en \( {E}_{\mathrm{Zn }\ 2p}^{\mathrm{AZO}} \) verwijzen naar de BE van Ga 2p en Zn 2p CL's in dunne Al-gedoteerde ZnO-films, respectievelijk.

Vervolgens, op basis van de E _g en ∆E _V , de CBO bij de met Al-gedoteerde ZnO/β-Ga₂ O₃ interface kan worden berekend met de volgende vergelijking:

waarbij\( {E}_g^{{\mathrm{Ga}}_2{\mathrm{O}}_3} \) de bandgap van Ga₂ is O₃ en \( {E}_g^{\mathrm{AZO}} \) is de bandgap van Al-gedoteerde ZnO. De bandgaps voor ongedoteerd, 5% Al-gedoteerd ZnO, 10% Al-gedoteerd ZnO en β-Ga₂ O₃ zijn respectievelijk 3,20 eV, 3,25 eV, 3,40 eV en 4,65 eV [17, 19]. De bandgap neemt toe met een hogere Al-dopingverhouding, wat goed overeenkomt met de simulatie in het volgende deel.

Figuur 1 toont de Ga- en Zn-element CL's en VBM van bulk β-Ga₂ O₃ , dikke ongedoteerde en 5% en 10% Al-gedoteerde ZnO-films. Door het lineaire gebied en de vlakke bandzone uit het VBM-spectrum te passen, kan de VBM worden afgeleid [20]. Figuur 2 toont Ga 2p en Zn 2p CL van verschillende dunne Al-gedoteerde ZnO/β-Ga₂ O₃ heterojuncties. De BE-verschillen van Ga 2p en Zn 2p CL's voor het ongedoteerde, 5% Al-gedoteerde ZnO/β-Ga₂ O₃ , en 10% Al-gedoteerde ZnO/β-Ga₂ O₃ worden verkregen om respectievelijk 96,12 eV, 96,16 eV en 95,94 eV te zijn. Vervolgens wordt vastgesteld dat de VBO's op de interfaces 1,39 eV, 1,52 eV en 1,67 eV zijn voor het niet-gedoteerde, 5% Al-gedoteerde ZnO/β-Ga₂ O₃ , en 10% Al-gedoteerde ZnO/β-Ga₂ O₃ respectievelijk monsters.

XPS-spectra met hoge resolutie voor kernniveau en maximale valentieband (VBM) van a Ga 2p kernniveauspectrum en VBM van kale β-Ga₂ O₃ , b Zn 2p kernniveauspectrum en VBM van dik zuiver ZnO/β-Ga₂ O₃ , c Zn 2p kernniveauspectrum en VBM van dik 5% Al-gedoteerd ZnO/β-Ga₂ O₃ , en d Zn 2p kernniveauspectrum en VBM van dik 10% Al-gedoteerd ZnO/β-Ga₂ O₃

De kernniveauspectra van Ga 2p en Zn 2p verkregen uit hoge resolutie XPS-spectra van a dun ZnO/β-Ga₂ O₃ , b dunne 5% Al-gedoteerde ZnO/β-Ga₂ O₃ , en c dunne 10% Al-gedoteerde ZnO/β-Ga₂ O₃

De systematische banduitlijning voor de 0%, 5% en 10% Al-gedoteerde ZnO/β-Ga₂ O₃ heterojuncties worden berekend door de bovenstaande vergelijkingen, zoals weergegeven in Fig. 3. De bandoffset van ongedoteerd ZnO/β-Ga₂ O₃ heterojunctie behoort tot type I. Terwijl zowel 5% als 10% Al-gedoteerde ZnO/β-Ga₂ O₃ heterojuncties hebben type II bandoffsets. Figuur 4 toont de banduitlijningen van Al-gedoteerde ZnO/β-Ga₂ O₃ interfaces hebben een vergelijkbare lineaire relatie met Al-dopingconcentratie. De CBO varieert van 1,39 tot 1,67 eV, waarbij de met Al gedoteerde concentratie toeneemt van 0 tot 10%. Terwijl de VBO daalt van 0,06 tot -0,42 eV, waarbij de met Al gedoteerde concentratie stijgt van 0 tot 10%. Opgemerkt wordt dat de CBO en VBO voor gesputterde AZO/β-Ga₂ O₃ zijn respectievelijk 0,79 eV en 0,61 eV [9]. Zowel de geleidings- als de valentieband verschuiven naar beneden in dit werk, wat te wijten kan zijn aan de verschillende samenstellingsverhoudingen en kristalstructuur die door gedeponeerde methoden zijn geïntroduceerd.

Schematisch banduitlijningsdiagram van a zuiver ZnO/β-Ga₂ O₃ , b 5% Al-gedoteerde ZnO/β-Ga₂ O₃ , en c 10% Al-gedoteerde ZnO/β-Ga₂ O₃

De geleidings- en valentieband-offsets van atomaire laag-afgezette AZO/β-Ga₂ O₃ heterojuncties vervaardigd met verschillende Al-dopingverhoudingen

Verder werden eerste-principesimulaties uitgevoerd door het Vienna Ab-initio Simulation Package (VASP) [21,22,23,24] om de elektronische bandstructuur en banduitlijning van met Al-gedoteerde ZnO/Ga_{2 te onderzoeken.} O₃ heterojuncties. Tijdens de berekening werden de elektron-ion-interacties behandeld door de ultrazachte pseudo-potentialen, en de golffuncties en potentialen werden uitgebreid met de vlakke-golfbasis [25]. Bovendien werd gegeneraliseerde gradiëntbenadering (GGA) voorgesteld door Perdew, Burke en Ernzerhof (PBE) geïmplementeerd om de uitwisselingscorrelatie-energieën te beschrijven [26]. Voorafgaand aan de start van de simulatie werden convergerende tests uitgevoerd. Het toonde aan dat de afsnijenergie van 450 eV voor de vlakke-golfbasis en k-ruimterasters van 3 × 3 × 3 met het Monkhorst Pack-schema de goed geconvergeerde resultaten opleverden. Bij de structuuroptimalisatie werd een geconjugeerde gradiëntmethode gebruikt en werd de restkracht vrijgegeven totdat deze minder was dan 0,01 eV/Å. Bovendien werden de hybride dichtheidsfuncties op basis van de semi-lokale PBE-benadering geïmplementeerd. Om de onderschatte bandgap te corrigeren, werd 35% van de PBE-uitwisseling vervangen door de exacte [27]. Om de bandrandverschuiving te identificeren met de verandering van het Al-dopingniveau, werd de gemiddelde elektrostatische potentiaal (AEP) berekend en uitgelijnd met het vacuümniveau dat werd geschaald naar 0 V. De VBM en het geleidingsbandminimum (CBM) werden bijgevolg uitgelijnd op de AEP op basis van het banddiagram [28]. In dit werk werd bulk ZnO met 16 O-atomen en 16 Zn-atomen in de supercel gebruikt. Om de Al-doping te introduceren, werden een of twee Zn-atomen in de supercel vervangen door de Al-atomen, waardoor de met Al gedoteerde structuur ontstond met een doteringsconcentratie van respectievelijk 3,21% en 6,25%.

Figuur 5 a-c toont de berekende banddiagrammen van respectievelijk de ongedoteerde, 3,21% Al-gedoteerde ZnO- en 6,25% Al-gedoteerde ZnO-structuren. Het laat duidelijk zien dat ZnO een directe bandgap-halfgeleider is met een bandgap van 3,42 eV, en zowel de CBM als de VBM bevonden zich op het Γ-punt van de Brillouin-zone. Deze theoretische simulatieresultaten komen redelijk goed overeen met de experimentele waarde [29]. Met de Al-doping kon worden vastgesteld dat de Fermi-niveaus naar boven verschoven in de geleidingsband, die het zuivere ZnO omzet in een n-type halfgeleider. Ondertussen namen de bandgaps ook toe tot 4,83 eV en 5,42 eV voor respectievelijk 3,21% Al-gedoteerde ZnO en 6,25% Al-gedoteerde ZnO. Hoewel de bandgaps hier voor het gedoteerde ZnO hoger zijn dan onze experimentele resultaten; dit kan echter worden toegeschreven aan het negeren van grensvlakdefecten en andere kristaldefecten.

Het berekende bandendiagram van a ongedoteerde ZnO, b 3,21% Al-gedoteerde ZnO, en c 6,25% Al-gedoteerde ZnO-structuur. De Fermi-niveaus waren ingesteld op 0 eV

Figuur 6 a-c toont de banduitlijningen van ongedoteerd, 3,21% Al-gedoteerde ZnO en 6,25% Al-gedoteerde ZnO tot het vacuümniveau. Voor de geleidingsbanden van de materialen kon, vanwege de sterke elektronenmenging tussen het Al- en O-element, worden vastgesteld dat het energieniveau daalt van -6,19 eV van het ZnO tot -6,81 eV voor het 3,21% Al-gedoteerde ZnO ( ΔE = 0,62 eV ) en neemt verder af tot − 7,48 eV voor het 6,25% Al-gedoteerde ZnO (ΔE = 1,29 eV ). Ondertussen kon door de opening van de bandgap ook worden vastgesteld dat de rand van de valentieband naar beneden beweegt van -9,59 eV voor ZnO tot -11,64 eV voor 3,21% Al-gedoteerde ZnO (ΔE = 2,05 eV ) en − 12,9 eV voor het 6,25% Al-gedoteerde ZnO (ΔE = 3.31 eV ). Al met al, toegeschreven aan de sterke Al- en O-elektronenmenging, zou het kunnen worden begrepen dat het opnemen van Al in het ZnO de bandgaten zou openen. Bovendien zou het zowel de geleidingsband als de rand van de valentieband verschuiven naar het lagere energieniveau wanneer uitgelijnd met het vacuümniveau.

De banduitlijning van AZO/β-Ga₂ O₃ heterojuncties met a niet gedopeerd, b 3,21%, en c 6,25% Al-gedoteerde ZnO. De vacuümniveaus zijn geschaald naar 0 eV

Conclusies

Concluderend kunnen de banduitlijningen van verschillende Al-gedoteerde ZnO/β-Ga₂ O₃ (\( \overline{2} \)01) interfaces zijn onderzocht door XPS. Een type-I banduitlijning vormt zich op het grensvlak van ZnO/β-Ga₂ O₃ heterojunctie. Terwijl de AZO/β-Ga₂ O₃ interface heeft een type II banduitlijning. De CBO's variëren van 1,39 tot 1,67 eV en de VBO's nemen af ​​van 0,06 tot -0,42 eV, waarbij de met Al gedoteerde concentratie stijgt van 0 tot 10%. Bovendien laten de dichtheidsfunctieberekeningen zien dat bandoffsets veranderen als gevolg van sterke Al- en O-elektronenmenging wanneer Al wordt opgenomen in ZnO. Deze resultaten suggereren dat het zuivere ZnO een geldige ISL is om de barrièrehoogte te verminderen en het elektronentransport te bevorderen.

Beschikbaarheid van gegevens en materialen

De datasets die de conclusies van dit manuscript ondersteunen, zijn opgenomen in het manuscript.

Afkortingen

AEP:

Gemiddeld elektrostatisch potentieel

ALD:

Atoomlaagafzetting

BE:

Bindende energie

CBM:

Minimaal geleidingsband

CBO:

Geleidingsband offset

CL:

Kernniveau

CL's:

Kernniveaus

CVD:

Chemische dampafzetting

DEZ:

Zn (C₂ H₅ )₂

Ga₂ O₃ :

Galliumoxide

GaN:

Galliumnitride

GGA:

Gegeneraliseerde gradiëntbenadering

ISL:

Tussenliggende halfgeleiderlaag

PBE:

Perdew, Burke en Ernzerhof

SiC:

Siliciumcarbide

TMA:

Trimethylaluminium

VASP:

Wenen Ab initio simulatiepakket

VBM:

Maximale valentieband

VBO:

Valentieband-offset

XPS:

Röntgenspectroscopie

ZnO:

Zinkoxide