Untersuchung des Energiebandes an Atomlagen-abgeschiedenen ZnO/β-Ga2O3 (\( \overline{2}01 \)) Heteroübergängen

Einführung

Galliumoxid (Ga₂ O₃ ) wurde aufgrund seiner einzigartigen Eigenschaften als vielversprechendes Halbleitermaterial mit ultrabreiter Bandlücke für leistungselektronische Geräte der nächsten Generation untersucht [1]. Unter verschiedenen Polymorphen (α, β, γ, δ und ε) ist monoklines β-Ga₂ O₃ hat die höchste thermische Stabilität [2]. Außerdem β-Ga₂ O₃ hat eine Bandlücke bei Raumtemperatur von 4,5 bis 4,9 eV und eine ausgezeichnete chemische Stabilität [3]. Insbesondere β-Ga₂ O₃ hat eine hohe Volumenelektronenmobilität von ∼100 cm ² /V·s, ein viel höheres Durchbruchfeld von 8 MV/cm als das von SiC (3,18 MV/cm) oder GaN (3 MV/cm) [4], und die Ladungsträgerkonzentration kann leicht durch Dotieren von Sn und Si moduliert werden [ 5, 6]. Daher ist β-Ga₂ O₃ -basierte Bauelemente, darunter solar-blinde Photodetektoren [7] und Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFETs) [8] wurden berichtet. Bei β-Ga₂ . bestehen jedoch noch Einschränkungen O₃ -basierte Geräte, wie der schlechte ohmsche Kontakt zwischen dem Metall und β-Ga₂ O₃ [9]. In den letzten Jahren wurde das Einfügen einer Metalloxid-Halbleiter-Zwischenschicht mit hoher Elektronenkonzentration, d. h. einer Halbleiterzwischenschicht (ISL) zwischen dem Metall und Ga₂ O₃ , hat sich aufgrund der Modulation der Energiebarriere an der Grenzfläche als effektive Auflösung erwiesen [10,11,12].

Zinkoxid (ZnO) hat viel Aufmerksamkeit auf sich gezogen, da es eine hohe Exzitonenbindungsenergie von 60 meV und eine hohe Elektronenkonzentration von> 10 ¹⁹ . aufweist cm ⁻³ , und eine starke Kohäsionsenergie von 1,89 eV. [13, 14] Außerdem ist die Gitterfehlanpassung zwischen ZnO und Ga₂ O₃ liegt innerhalb von 5 % [15]. Zur Herstellung von ZnO-Filmen wurden verschiedene Abscheidungstechniken entwickelt, darunter das hydrothermale Verfahren [16, 17] und die chemische Gasphasenabscheidung (CVD). [18] Hydrothermale Verfahren erfordern jedoch einen komplizierten Prozess und die Wachstumsrate ist recht langsam, und CVD erfordert im Allgemeinen eine relativ hohe Wachstumstemperatur über 900 °C. Diese Nachteile erschweren die Anwendung in Geräten. In letzter Zeit hat sich die Atomlagenabscheidung (ALD) als vielversprechende Technik herausgestellt, die eine ausgezeichnete Stufenabdeckung, eine Kontrollierbarkeit der Dicke im atomaren Maßstab, eine gute Gleichmäßigkeit und eine relativ niedrige Abscheidungstemperatur zeigt. Folglich kann atomschichtabgeschiedenes ZnO auf Halbleitern mit großer Bandlücke die Grenzflächenunordnung reduzieren und eine besser kontrollierbare Probe liefern, um die Ausrichtung der Energiebänder zu untersuchen, die eine wichtige Rolle im Ladungsträgertransportprozess spielt [19]. Bisher Bandabgleich zwischen Ga₂ O₃ und Atomlagen-abgeschiedenes ZnO wurde nicht experimentell untersucht, obwohl es einige Berichte über die theoretische Bandausrichtung von ZnO und Ga₂ . gibt O₃ . [20] Daher das Verständnis der Energiebandausrichtung von ZnO/β-Ga₂ . mit abgeschiedenen Atomschichten O₃ Heterojunction ist für das Design und die physikalische Analyse relevanter Bauelemente in der Zukunft sehr wünschenswert. In dieser Arbeit wird die Energiebandausrichtung von atomschichtabgeschiedenem ZnO auf β-Ga₂ O₃ wurde durch Röntgen-Photoelektronenspektroskopie (XPS) charakterisiert. Darüber hinaus wurde auch der Einfluss der Wachstumstemperatur von ZnO auf die Bandausrichtung untersucht.

Methoden

β-Ga₂ O₃ (\( \overline{2}01 \)) Substrate mit einer Sn-Dotierungskonzentration von ~ 3 × 10 ¹⁸ /cm ³ wurden in kleine Stücke mit einer Größe von 6 × 6 mm ² . gewürfelt . Die gewürfelten Proben wurden abwechselnd in Aceton, Isopropanol durch Ultraschallreinigung für alle 10 Minuten gereinigt, anschließend mit entionisiertem Wasser gespült, um restliche organische Lösungsmittel zu entfernen. Danach Ga₂ O₃ Substrate wurden in einen ALD-Reaktor (Wuxi MNT Micro Nanotech Co., LTD, China) überführt. Die Wachstumsrate von ZnO-Filmen betrug ~~1,6 Å/Zyklus. Sowohl 40 als auch 5 nm ZnO-Filme wurden auf gereinigtem β-Ga₂ . gezüchtet O₃ mit Zn (C₂ H₅ )₂ (DEZ) und H₂ O bei jeder Temperatur von 150, 200 bzw. 250 °C. Die Dicke der hergestellten ZnO-Filme wurde mit einem Ellipsometer (Sopra GES-5E) gemessen. Das ZnO(40 nm)/β-Ga₂ O₃ als Bulk-Standard verwendet, und das ZnO(5 nm)/β-Ga₂ O₃ wurde verwendet, um die Bandausrichtung zu bestimmen, in der Zwischenzeit das nackte β-Ga₂ O₃ wurde als Kontrollprobe verwendet. Zur Messung des Valenzbandmaximums (VBM), der Ga 2p- und Zn 2p-Spektren wurden XPS-Messungen (AXIS Ultra DLD, Shimadzu) mit einer Stufe von 0,05 eV durchgeführt. Um Störungen durch Oberflächenoxidation und Kontamination zu vermeiden, wurden alle Proben vor der XPS-Messung mit Ar-Ionen 3 min lang mit einer Spannung von 2 kV geätzt. Beachten Sie, dass alle XPS-Spektren durch den C 1s-Peak bei 284,8 eV kalibriert wurden, um den Ladungseffekt zu kompensieren. Um die Bandlücke zu identifizieren, die optischen Transmissionsspektren von Ga₂ O₃ und ZnO wurden durch Ultraviolett-Vis-Spektroskopie (UV-VIS) gemessen (Lambda 750, PerkinElmer, USA).

Ergebnisse und Diskussion

Abbildung 1 zeigt die Variation von (αhv ) ^1/n als Funktion der Photonenenergie für β-Ga₂ O₃ und der gewachsene ZnO-Film, der bei 200 °C abgeschieden wurde. Die optische Bandlücke (E _g ) des ZnO-Films und β-Ga₂ O₃ kann durch die Tauc-Beziehung [21] bestimmt werden:(αhv ) ^1/n = A (hv − E _g ), wobei α der Absorptionskoeffizient ist, A eine Konstante ist, hv ist die einfallende Photonenenergie, E _g ist die optische Energiebandlücke, n ist 1/2 für die direkte Bandlücke und 2 für die indirekte Bandlücke. Hier werden sowohl ZnO als auch β-Ga₂ O₃ haben eine typische direkte Bandlücke, die den Wert von n . macht ist 1/2. Anschließend E _g kann durch Extrapolation des geraden Linienabschnitts auf die Energieabweichung bei α = 0 extrahiert werden. Daher ist das extrahierte E _g von ZnO und β-Ga₂ O₃ sind 3,20 eV bzw. 4,65 eV und stimmen gut mit den Angaben überein. [22, 23]

Die Handlung von (αhv ) ² gegen hv für a Auf Quarzglas gewachsener ZnO-Film b β-Ga₂ O₃ Substrat. Der Einschub zeigt die optischen Transmissionsspektren von ZnO und β-Ga₂ O₃ , bzw.

Der Valenzband-Offset (VBO) kann nach der Methode von Kraut mit der folgenden Formel bestimmt werden [24]

wobei \( {E}_{Ga\ 2p}^{Ga_2{O}_3}-{E}_{VBM}^{Ga_2{O}_3} \) \( \Big({E}_{Zn\ 2p}^{Zn O}-{E}_{VBM}^{Zn O} \)) repräsentiert die Energiedifferenz zwischen Ga 2p (Zn 2p) Kernniveau (CL) und VBM von β-Ga ₂ O₃ (ZnO), und \( {E}_{Ga\ 2p}^{Ga_2{O}_3}-{E}_{Zn\ 2p}^{Zn O} \) bezeichnet als die Energiedifferenz zwischen Ga 2p und Zn 2p Kernstufen. Abbildung 2 zeigt alle CL-Spektren einschließlich Zn 2p von ZnO (40 nm)/β-Ga₂ O₃ und ZnO (5 nm)/β-Ga₂ O₃ , Ga 2p von Bulk-Ga₂ O₃ und ZnO (5 nm)/β-Ga₂ O₃ , sowie Valenzbandspektren von Bulk-Ga₂ O₃ und ZnO (40 nm)/β-Ga₂ O₃ . Abbildung 2a zeigt die CL-Spektren von Zn 2p auf ZnO (40 nm)/β-Ga₂ O₃ , das ziemlich symmetrisch ist, was den einheitlichen Bindungszustand anzeigt, und der Peak bei 1021,09 eV liegt, entspricht der Zn-O-Bindung [25]. Die VBM kann mit einem linearen Extrapolationsverfahren bestimmt werden [26]. Die VBM von ZnO liegt bei 2,11 eV. In Abb. 2b entspricht der Peak bei 1117,78 eV der Ga-O-Bindung [27] und der VBM von Ga₂ O₃ wird gemäß dem oben erwähnten Verfahren zu 2,74 eV abgeleitet. Die CLs von Zn 2p und Ga 2p in ZnO (5 nm)/β-Ga₂ O₃ sind in Abb. 2c dargestellt. Nach Gl. (1), die VBO an der Grenzfläche von ZnO/Ga₂ O₃ wird mit 0,06 eV bestimmt.

Hochauflösende XPS-Spektren für Kernebene und Valenzbandmaximum (VBM) von a Zn 2p Core-Level-Spektrum und VBM von 40 nm ZnO/β-Ga₂ O₃ , b Ga 2p-Kernniveauspektrum und VBM von bloßem β-Ga₂ O₃ , und c die Kernspektren von Ga 2p und Zn 2p, erhalten aus hochauflösenden XPS-Spektren von 5 nm ZnO/β-Ga₂ O₃

Basierend auf dem berechneten E _g und ∆E _V , der Leitungsbandversatz (CBO) bei ZnO/Ga₂ O₃ Schnittstelle lässt sich leicht aus der folgenden Gleichung ableiten:

wobei\( {E}_g^{Ga_2{O}_3} \) und \( {E}_g^{ZnO} \) die Energiebandlücke für β-Ga₂ . sind O₃ bzw. ZnO. Das detaillierte Energiebanddiagramm für ZnO/β-Ga₂ O₃ ist in Abb. 3 dargestellt. Die Grenzfläche weist eine Typ-I-Bandausrichtung auf, bei der sowohl die Leitungs- als auch die Valenzbandkanten von ZnO innerhalb der Bandlücke von β-Ga₂ . liegen O₃ .

Schematische Darstellung der Bandausrichtung von ZnO (200 °C)/β-Ga₂ O₃ Heteroübergang

Um den Einfluss der Wachstumstemperatur auf die Bandausrichtung zwischen ZnO und β-Ga₂ . weiter zu untersuchen O₃ , werden die ZnO-Filme auch bei 150 und 250 °C gezüchtet. Beachten Sie, dass durch ALD bei Temperaturen von 150–250 °C hergestellte ZnO-Filme polykristalline Natur haben. Abbildung 4 zeigt die hochauflösenden O 1s XPS-Spektren der bei verschiedenen Temperaturen gewachsenen ZnO-Filme. Jedes O 1s-Spektrum kann unter Verwendung der Gauß-Lorentz-Funktion gut in drei Komponenten getrennt werden. Die bei 530,0 (O1), 531,6 (O2) und 532,4 (O3) eV zentrierten Peaks entsprechen den Zn-O-Banden, Sauerstoffleerstellen bzw. –OH-Gruppen [28, 29]. Der relative Anteil der verschiedenen Komponenten wird ebenfalls anhand der Peakfläche berechnet, die in Abb. 4 aufgeschlossen ist. Sie zeigt, dass der relative Gehalt an Sauerstoffleerstellen von 10,7 auf 15,0% aufgrund der Zersetzung von Vorläufern und der Zunahme von Zn-Zwischengitterplätzen ansteigt. Das –OH-Gegenstück reduziert sich jedoch von 5,1 auf 1,9 % aufgrund vollständigerer Reaktionen zwischen DEZ-Vorstufen und Oberflächen-OH-Gruppen in diesem Temperaturbereich [30].

Hochauflösende O 1 s XPS-Spektren der bei a . gewachsenen ZnO-Filme 150 °C, b 200 °C und c jeweils 250 °C

Abbildung 5 zeigt die Bandverschiebungen von ZnO/β-Ga₂ O₃ Heteroübergänge als Funktion der Wachstumstemperatur. Der CBO steigt von 1,26 auf 1,47 eV an, wobei die Wachstumstemperatur von 150 bis 250 °C variiert. Die Defekte des nativen Donors umfassen die Zn-Antiposition, Sauerstoffleerstellen und Zn-Zwischengitter. Allerdings ist die Bildungsenergie der Antipositionsatome so hoch, dass ihre Konzentration extrem niedrig ist. Die Zn-Zwischengitter haben einen größeren Einfluss auf das Leitungsbandminimum (CBM) als die Sauerstoffleerstelle, da die CBM hauptsächlich von der 4s-Bahn des Zn-Atoms dominiert wird. [31] Als Ergebnis könnte der erhöhte CBO von 0.21 eV hauptsächlich von Zn-Zwischengittern beigetragen werden. Andererseits verringert sich der VBO von 0,20 auf 0,01 eV, wenn die Wachstumstemperatur von 150 auf 250 °C ansteigt. Zu den nativen Akzeptordefekten zählen die O-Antiposition, Zn-Leerstellen und Sauerstoffzwischengitterplätze [32], deren Bildungsenergien hoch und ihre Zahl sogar vernachlässigbar sein kann. Darüber hinaus liegen die nativen Akzeptorniveaus tief innerhalb der ZnO-Bandlücke und haben daher nur geringe Auswirkungen auf die VBM [33]. Jedoch V_zn + OH ist günstig, um aufgrund der niedrigen Bildungsenergie präsentiert zu werden, [34] V_zn + OH kann mit einem Elektron auftreten, das zu OH-Bindungen gehört. Der Gitterwasserstoff H ⁺ Ion fungiert als kompensierendes Zentrum und kann mit dem V_Zn . binden um den Versetzungs- und Stapelfehlerkern herum, wodurch der komplexe Defekt vom Akzeptortyp für die p-Leitfähigkeit sichergestellt wird [35]. Bei einer niedrigeren Wachstumstemperatur, d. h. 150 °C, werden mehr Rest-OH-Gruppen im ZnO-Film erhalten [36]. Das Akzeptorniveau in der Nähe des VBM nimmt mit der Temperatur ab, was zu einer effektiven Verschiebung von E . nach unten führt _V von ZnO, also das ∆E _V wird niedriger. Daher könnte das bei niedrigerer Temperatur abgeschiedene ZnO effizienter sein, um die Barrierehöhe an der Grenzfläche zwischen dem Metall und Ga₂ . zu reduzieren O₃ .

Die Leitungs- und Valenzband-Offsets von atomschichtabgeschiedenem ZnO/β-Ga₂ O₃ Heteroübergänge hergestellt bei verschiedenen Temperaturen

Schlussfolgerungen

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Energiebandausrichtung bei atomschichtabgeschiedenem ZnO/β-Ga₂ O₃ (\(\overline{2}01\)) wurde durch XPS charakterisiert. Eine am ZnO/β-Ga₂ . gebildete Typ-I-Bandausrichtung O₃ Schnittstelle. Der Leitungsband-Offset stieg von 1,26 auf 1,47 eV, während der Valenzband-Offset von 0,20 auf 0,01 eV abnahm, wenn die Temperatur von 150 auf 250 °C anstieg. Diese Beobachtungen legen nahe, dass das bei niedrigerer Temperatur abgeschiedene ZnO ein vielversprechendes ISL ist, um die Höhe der Elektronenbarriere bei ZnO/β-Ga₂ . zu reduzieren O₃ Schnittstelle.

Abkürzungen

ALD:

Atomlagenabscheidung

CBM:

Leitungsband-Minimum

CBO:

Leitungsband-Offset.

Lebenslauf:

Chemische Gasphasenabscheidung

DEZ:

Zn (C₂ H₅ )₂

Ga₂ O₃ :

Galliumoxid

GaN:

Galliumnitrid

ISL:

Halbleiterzwischenschicht

MOSFETs:

Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren

OH:

Hydroxyl

SiC:

Siliziumkarbid

UV-VIS:

Ultraviolett-sichtbare Spektroskopie

VBM:

Valenzband-Maximum

VBO:

Valenzband-Offset

XPS:

Röntgenspektroskopie

ZnO:

Zinkoxid