Ultragevoelige NiO/β-Ga₂O₃ heterojunctie UV-fotodetector voor geavanceerde toepassingen

Samenvatting

Ultraviolet (UV) fotodetectoren hebben veel belangstelling gewekt vanwege hun wijdverspreide toepassingen, van defensietechnologie tot optische communicatie. Het gebruik van wijd-bandgat metaaloxide halfgeleidermaterialen is van groot belang in de ontwikkeling van UV-fotodetectoren vanwege hun unieke elektronische en optische eigenschappen. In dit werk is een diepe UV-fotodetector gebaseerd op een NiO/β-Ga₂O₃ heterojunctie ontwikkeld en onderzocht. De β-Ga₂O₃-laag werd bereid door magnetronsputtering en vertoonde selectieve oriëntatie langs de familie van (2̄01) kristalvlakken na annering. De fotodetector vertoonde goede prestaties met een hoge responsiviteit (R) van 27,43 AW⁻¹ onder 245-nm verlichting (27 µWcm⁻²) en een maximale detectiviteit (D*) van 3,14 × 10¹² cmHz¹ᐟ²W⁻¹, wat toegeschreven werd aan de p-NiO/n-β-Ga₂O₃ heterojunctie.

Achtergrond

Er is veel onderzoeksinteresse in de ontwikkeling van ultraviolet (UV) fotodetectoren vanwege hun wijdverspreide toepassingen, zoals raketwaarschuwingen, biochemische analyse, vlam- en ozon-detectie, en optische communicatie. In vergelijking met SiC- en GaN-halfgeleiders, bieden UV-fotodetectoren gebaseerd op wijd-bandgat metaaloxide halfgeleiders veel voordelen. Bijvoorbeeld, metaaloxide-gebaseerde fotodetectoren oxideren niet gemakkelijk en vertonen een gevoelige respons. Bovendien zijn ze gemakkelijk te bedienen en kunnen ze klein worden gemaakt [1, 2]. Daarom hebben wijd-bandgat metaaloxiden en hun apparaten in de laatste jaren veel onderzoeksaandacht getrokken. Tot nu toe zijn metaaloxiden zoals ZnO [3,4,5], TiO₂ [6, 7], SnO₂ [8], NiO [9] en Ga₂O₃ [10, 11] bestudeerd voor gebruik als hoogpresterende UV-fotodetectoren. Onder hen wordt de stabiele fase van Ga₂O₃ (β-Ga₂O₃) een favoriet materiaal voor UV-fotodetectoren omdat het een direct-bandgat halfgeleider is met een ultra-wijd bandgat van ~4,9 eV dat effectief reageert op de UV-band. Het gemakkelijke groeiproces van het materiaal is een toegevoegd voordeel.

Verschillende groepen hebben geprobeerd de prestaties van UV-fotodetectoren te verbeteren door heterojunctie-apparaten te ontwikkelen die uit twee verschillende metaaloxide halfgeleiders bestaan. Bijvoorbeeld, Zhao et al. rapporteerden studies over ZnO-Ga₂O₃ kern-schil heterostructuur UV-fotodetectoren, die ultra-hoge responsiviteit en detectiviteit vertoonden door een lawine-vermenigvuldigings-effect [12, 13]. In dit werk werd een andere metaaloxide heterojunctie, zoals NiO/β-Ga₂O₃, onderzocht om een hoogpresterende UV-fotodetector te bieden. Ten eerste is de rooster mismatch van β-Ga₂O₃ en NiO relatief klein. Ook is het bandgat van NiO groter dan dat van ZnO dat in eerdere studies werd gebruikt. Het p-type gedrag van NiO en n-type β-Ga₂O₃ heeft geleid tot verschillende rapporten over studies van de elektrische eigenschappen van NiO/β-Ga₂O₃ heterojuncties voor power-elektronica toepassingen [14]; er is echter beperkt rapportage over het gebruik van de heterojunctie in fotodetectoren. In deze studie werd de NiO/β-Ga₂O₃-gebaseerde UV-fotodetector geproduceerd door magnetronsputtering op een indium-tin-oxide (ITO) transparant substraat. De resultaten toonden aan dat de NiO/β-Ga₂O₃ fotodetector een uitstekende gevoeligheid voor UV-licht (245 nm) vertoonde met goede stabiliteit.

Methoden

Ga₂O₃- en NiO-keramische targets (99,99%) werden gekocht van Zhongnuo Advanced Material (Beijing) Technology Co. Ltd. Saffier-substraat met (0001) vlak werd gekocht van Beijing Physike Technology Co. Ltd. ITO-gecoate kwarts-substraat werd gekocht van Beijing Jinji Aomeng Technology Co. Ltd. Alle chemische reagenten die in de experimenten werden gebruikt, werden zonder verdere zuivering gebruikt.

De β-Ga₂O₃-film werd bereid door RF-magnetronsputtering bij kamertemperatuur. Voor karakterisering werd het film opgesputterd op saffier-substraat met (0001) vlak. Voorafgaand aan de depositie werd het substraat nat gereinigd in een gemengde oplossing van ammoniakwater, waterstofperoxide en gedemineraliseerd water (1:1:3) bij 80 °C gedurende 30 min. Het werd herhaaldelijk gespoeld met gedemineraliseerd water en gedroogd met stikstof om oppervlakteverontreiniging te verwijderen, wat de uniformiteit en hechting van de film op het substraat zou verbeteren. Sputtering werd uitgevoerd bij een druk van 0,7 Pa met zuurstof en argon die vloeiden met een snelheid van respectievelijk 5 en 95 sccm. Een sputtervermogen van 200 W werd gebruikt gedurende 60 min voor de depositie van de film. Ten slotte werd de gedeponeerde film in lucht geanneald bij 800 °C (60 min) met een verwarmingssnelheid van 10 °C/min.

De kristallijne structuur van de Ga₂O₃-film werd bestudeerd met Röntgendiffractie (XRD, EMPYREAN) en transmissie-elektronenmicroscopie (TEM, JEM-2100). Absorptiespectra van de Ga₂O₃-film op saffier-substraat werden gemeten door UV-Vis-spectroscopie (iHR-320), wat ook een schatting gaf van het optische bandgat van de film. De oppervlaktemorfologie en dikte van de gedeponeerde Ga₂O₃-film werden gekarakteriseerd met atoomkrachtmicroscopie (AFM, SPA-400) en optische microscopie (LEICA DM 2700 M). Elementanalyse van de Ga₂O₃-film werd uitgevoerd door Röntgen-foto-elektron-spectroscopie (XPS, K-Alpha+). Stroom-spanning (J-V) metingen op de NiO/β-Ga₂O₃ fotodetector werden uitgevoerd met een Keithley 2400 bronmeter. Alle metingen werden bij kamertemperatuur uitgevoerd.

Resultaten en discussie

Figuur 1a toont de XRD-patronen van de Ga₂O₃-film gegroeid op (0001) vlak van saffier-substraat voor en na annering. Voor annering vertoonde de gedeponeerde film een amorfe toestand aangezien alleen twee pieken (gemarkeerd als "*") die geassocieerd waren met het substraat in het patroon waargenomen werden. Na annering van de film bij 800 °C toonde het XRD-patroon zes karakteristieke pieken die overeenkwamen met kristalvlakken van de β-fase van Ga₂O₃, die behoort tot het monokliene kristalsysteem. Het waargenomen patroon is consistent met eerdere gerapporteerde werk [15, 16]. Deze karakteristieke pieken van de geannealde β-Ga₂O₃-film onthulden een goede kristalliniteit met preferentiële oriëntatie langs de familie van (2̄01) kristalvlakken.

Figuur 1d en e zijn TEM- en HRTEM-beelden van de β-Ga₂O₃-film na annering. Zoals getoond, waren de roosterfranje-afstanden van (2̄01), (400) en (2̄02) kristalvlakken respectievelijk 4,69 Å, 2,97 Å en 2,83 Å, wat opnieuw goede kristalliniteit suggereert en in goede overeenstemming is met eerdere gerapporteerde werk in de literatuur [17, 18].

AFM-beeld van de β-Ga₂O₃-film gedeponeerd op saffier-substraat is getoond in Fig. 1f. De gedeponeerde film vertoonde een uniform korrelvormige oppervlaktetopografie met een relatief kleine root-mean-square (RMS) oppervlakteruughheid van 1,36 nm. Na annering steeg de RMS-ruughheid van de film tot 1,68 nm. Een dergelijke toename in RMS-ruughheid na annering werd ook gerapporteerd door Hao et al [19]. Het is mogelijk dat de anneringsbehandeling kan leiden tot oppervlaktestructuurdefecten. Verdere studies zijn vereist om de oorzaak van de verandering in oppervlaktemorfologie na annering te begrijpen. AFM-topografische beelden van de traprand tussen film en substraat voor en na annering zijn getoond in Fig. 1g en h, waarbij de lijnprofielen (in het inset) een filmdikte van 114 ± 6,4 nm en 123 ± 2,0 nm (ongeveer 8% toename) respectievelijk aanvoeren. De toename in filmdikte en RMS na annering kan zijn dat de faseovergang van amorfe naar kristalliniteit leidt tot nanokristalgroei.

UV-Vis-absorptiespectra van de β-Ga₂O₃-films voor en na annering zijn getoond in Fig. 1b. Beide films vertoonden sterke UV-absorptie in het bereik van 190–300 nm en bijna geen absorptie in het zichtbare lichtband. Dit toonde aan dat de anneringsbehandeling geen significante invloed had op de absorptierand. Het resulteerde alleen in een kleine rode verschuiving van ongeveer 10 nm met een lichte verbetering van de absorptiepiek. Vergelijking (1) kan worden gebruikt om de optische bandgatenergie (E_g) van de film te schatten.

$$ \alpha (h\nu)=A(h\nu -E_g)^{1/2} $$ (1)

waarbij α de absorptiecoëfficiënt is, hν de fotonenergie, en A een constante. Rekening houdend met de filmdiktes gemeten door AFM, kunnen de E_g van de gedeponeerde en geannealde films worden bepaald uit de plots in Fig. 1c, wat een waarde van 5,137 eV en 5,135 eV respectievelijk aangeeft. Deze waarden zijn dicht bij de theoretische E_g van 4,9 eV voor β-Ga₂O₃.

XPS-spectra van de β-Ga₂O₃-film zijn getoond in Fig. 2. Figuur 2a–c en d–f tonen XPS-spectra van de full scan, Ga en O elementen voor en na annering, respectievelijk. Het C-element waargenomen in de full scan was adventitieus koolstof. Na annering was de C 1s piek aanzienlijk verminderd, wat aangeeft dat de meeste koolstof tijdens de anneringsbehandeling was verwijderd. De bindingsenergie van Ga3d in Fig. 2b en e komt overeen met 21,14 eV en 20,70 eV, respectievelijk, wat overeenkomt met de Ga-O-binding van de monsters, en de bindingsenergie na annering is met 0,44 eV verlaagd. De O 1s pieken werden gefit met twee componenten geassocieerd met zuurstofvacatures (O_V) en roosterzuurstof (O_L). De oppervlakteverhoudingen van O_V en O_L (bijv. S_OV:S_OL) voor en na annering waren respectievelijk 0,47 en 0,12. Dit suggereert een toename in roosterzuurstofatomen door de anneringsbehandeling die leidt tot kristallisatie als zuurstofatomen naar hun juiste roosterplaatsen verplaatsen.

Een UV-fotodetector bestaande uit de β-Ga₂O₃-film werd gefabriceerd. Een eenvoudige verticale structuur werd ontworpen voor de fotodetector, die bestond uit ITO/NiO/Ga₂O₃/Al. Een schematisch diagram van de apparaatstructuur is getoond in Fig. 3a. Een NiO-laag werd eerst gesputterd op een ITO-gecoat kwarts-substraat na toepassing van dezelfde natte reinigingsprocedures als het saffier-substraat, en de gedetailleerde bereiding en karakteriseringen van de NiO-film werden getoond in Aanvullend bestand 1: Figuur S1 en Figuur S2. De Ga₂O₃-laag werd vervolgens gesputterd met de bovengenoemde depositieparameters. De bereide heterojunctie werd in lucht geanneald bij 600 °C gedurende 30 min om verwarmingsschade aan ITO te voorkomen (met de kennis dat β-Ga₂O₃ kan worden gevormd bij anneringstemperatuur boven 550 °C), gevolgd door dampdepositie van Al-elektroden (2 × 2 mm²) op het oppervlak van de Ga₂O₃-film. Ten slotte werden de Al-elektroden en het ITO-substraat respectievelijk als boven- en underelektroden gebruikt.

Figuur 3b toont het energiebanddiagram van de fotodetector. We berekenden de E_g van de NiO-film volgens Vergelijking (1) zoals getoond in Aanvullend bestand 1: Figuur S3. De E_g van de NiO-film is ongeveer 3,4 eV na annering. De wijd-bandgat energie van de β-Ga₂O₃ (5,1 eV) en NiO (3,4 eV) lagen is responsief op UV-licht. Onder UV-verlichting (hν) krijgen elektronen voldoende energie om over te gaan naar het geleidingsband, wat elektronen-gat paren genereert. Deze fotogegenereerde elektronen-gat paren werden gescheiden door het ingebouwde electrisch veld en verzameld door de respectieve elektroden. Hier kan de heterostructuur met geschikte banduitlijning de ladingscheiding en -verzameling vergemakkelijken.

De prestaties van de heterojunctie-fotodetector werden bestudeerd vanuit de gemeten J-V en log J-V plots, die verkregen werden van de backlighting incident apparaat. Figuur 3c en d illustreren de J-V en log J-V curves van de fotodetector verlicht met verschillende golflengte lichten en onder donkere condities, respectievelijk. Toen de fotodetector verlicht werd door een 245-nm UV-licht bij 27 µWcm⁻², werd een drastische toestroomdichtheid, tot 1,38 mAcm⁻², waargenomen bij een aangelegde spanning van 10 V. De stroomdichtheid nam ook toe bij verlichting met 285 en 365 nm UV-licht. Echter, meer elektronen-gat paren kunnen effectief geëxciteerd worden door 245 nm UV-licht in vergelijking met de andere twee UV-lichten, wat de diepe UV-detectie van het apparaat toont.

J-V en log J-V curves van de fotodetector werden gemeten onder een UV-verlichting van 245 nm met varierende vermogensdichtheid, zoals getoond in Fig. 3e en f, respectievelijk. Metingen werden uitgevoerd onder donkere en UV-licht condities. De stroomdichtheid neemt toe met de lichtintensiteit onder een 245-nm UV-verlichting wat suggereert dat de fotodetector de capaciteit heeft om fotostroom te genereren in reactie op 245 nm UV-licht.

Het effect van biasspanning op de responsiviteit (R) van het apparaat is getoond in Fig. 3g. R is gerelateerd aan de fotostroomdichtheid (J_ph) volgens Vergelijking (2) [5]:

$$ R={J}_{ph}/{P}_{opt} $$ (2)

waarbij P_opt de fotonvermogensdichtheid is met een waarde van 1,5 mWcm⁻². Een toename in R was duidelijk uit Fig. 3g toen de biasspanning van het apparaat toename onder vaste fotonvermogensdichtheid. De maximale R was 27,43 AW⁻¹ gemeten onder een 245-nm verlichting (27 µWcm⁻²) bij de biasspanning 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 Vergelijking (3) als volgt [20, 21]:

$$ {D}^{*}=R/{(2q|{J}_{d}|)}^{1/2} $$ (3)

waarbij q de absolute elektronenlading is (1,602 × 10⁻¹⁹ C) en J_d de donkere stroomdichtheid. De relatie tussen D* en de biasspanning is getoond in Fig. 3h, wat een toename in D* toont toen de biasspanning toeneemt. De maximale D* was 3,14 × 10¹² cmHz¹ᐟ²W⁻¹ gemeten onder een 245-nm verlichting (27 µWcm⁻²) bij de biasspanning van −10 V. Gebaseerd op de waarden van R en D*, vertoonde de NiO/β-Ga₂O₃ fotodetector hoge prestaties in UV-detectie, in vergelijking met andere NiO-gebaseerde en Ga₂O₃-gebaseerde UV-detectoren getoond in Tabel 1.

Conclusies

Samengevat, werd β-Ga₂O₃-film bereid door RF-magnetronsputtering en vertoonde goede kristalliniteit na annering bij 800 °C. Het wijd-bandgat materiaal onthulde sterke UV-absorptie in het bereik van 190–300 nm. De diepe UV-fotodetector gebaseerd op NiO/β-Ga₂O₃ heterostructuur was zeer gevoelig voor 245 nm UV-licht met hoge responsiviteit (R) en detectiviteit (D*) van respectievelijk tot 27,43 AW⁻¹ en 3,14 × 10¹² cmHz¹ᐟ²W⁻¹. Er wordt verwacht dat de prestaties van de UV-fotodetector verder kunnen worden verbeterd door middel van doping of het optimaliseren van de apparaatstructuur.

Beschikbaarheid van data en materialen

De conclusies in dit manuscript zijn gebaseerd op de data (hoofdtekst en figuren) gepresenteerd en getoond in dit artikel.

Afkortingen

AFM:

Atoomkrachtmicroscoop

ITO:

Indium-tin-oxide

TEM:

Transmissie-elektronenmicroscoop

UV:

Ultraviolet

XPS:

Röntgen-foto-elektron-spectroscopie

XRD:

Röntgendiffractie