Hochleistungs-Tiefen-Ultraviolett-Photodetektor basierend auf NiO/β-Ga2O3-Heterojunction

Hintergrund

Aufgrund ihrer weitreichenden Anwendungen, wie Raketenwarnung, biochemische Analyse, Flammen- und Ozonerkennung und optische Kommunikation, gab es großes Forschungsinteresse an der Entwicklung von Ultraviolett-(UV)-Photodetektoren. Im Vergleich zu SiC- und GaN-Halbleitern bieten UV-Photodetektoren auf Basis von Metalloxid-Halbleitern mit großer Bandlücke viele Vorteile. Beispielsweise oxidieren die Fotodetektoren auf Metalloxidbasis nicht leicht und zeigen ein empfindliches Ansprechverhalten. Darüber hinaus sind sie einfach zu bedienen und klein zu bauen [1, 2]. Daher haben Metalloxide mit großer Bandlücke und ihre Vorrichtungen in den letzten Jahren viel Aufmerksamkeit in der Forschung auf sich gezogen. Bis heute sind Metalloxide wie ZnO [3,4,5], TiO₂ [6, 7], SnO₂ [8], NiO [9] und Ga₂ O₃ [10, 11] wurden für den Einsatz als Hochleistungs-UV-Photodetektoren untersucht. Darunter die stabile Phase von Ga₂ O₃ (β-Ga₂ O₃ ) wird zu einem bevorzugten Material für UV-Photodetektoren, da es sich um einen Halbleiter mit direkter Bandlücke mit einer ultrabreiten Bandlücke von ~ 4,9 eV handelt, der effektiv auf das UV-Band anspricht. Der leichte Wachstumsprozess des Materials ist ein zusätzlicher Vorteil.

Mehrere Gruppen haben versucht, die Leistung von UV-Photodetektoren durch die Entwicklung von Heteroübergangsvorrichtungen zu verbessern, die aus zwei verschiedenen Metalloxid-Halbleitern bestehen. Zhao et al. berichtete über die Studien von ZnO-Ga₂ O₃ Kern-Schale-Heterostruktur-UV-Photodetektoren, die aufgrund eines Lawinenmultiplikatoreffekts eine extrem hohe Ansprech- und Detektivität zeigten [12, 13]. In dieser Arbeit wurde ein anderer Metalloxid-Heteroübergang wie NiO/β-Ga₂ O₃ , wurde untersucht, um einen leistungsstarken UV-Photodetektor bereitzustellen. Erstens die Gitterfehlanpassung von β-Ga₂ O₃ und NiO ist relativ klein. Außerdem ist die Bandlücke von NiO größer als die von ZnO, die in früheren Studien verwendet wurde. Das p-Typ-Verhalten von NiO und n-Typ β-Ga₂ O₃ hat zu mehreren Berichten über die Studien der elektrischen Eigenschaften von NiO/β-Ga₂ . geführt O₃ Heteroübergang für leistungselektronische Anwendungen [14]; es gibt jedoch nur begrenzte Berichte über die Verwendung des Heteroübergangs in Photodetektoren. In dieser Studie wurde das NiO/β-Ga₂ O₃ -basierter UV-Photodetektor wurde durch Magnetron-Sputtern auf einem transparenten Substrat aus Indium-Zinn-Oxid (ITO) hergestellt. Die Ergebnisse zeigten, dass das NiO/β-Ga₂ O₃ Photodetektor zeigte ausgezeichnete Empfindlichkeit gegenüber UV-Licht (245 nm) mit guter Stabilität.

Methoden

Ga₂ O₃ und NiO-Keramik-Targets (99,99 %) wurden von Zhongnuo Advanced Material (Beijing) Technology Co. Ltd. bezogen. Saphirsubstrat mit (0001)-Ebene wurde von Beijing Physike Technology Co. Ltd. bezogen. ITO-beschichtetes Quarzsubstrat wurde von Beijing Jinji Aomeng . bezogen Technology Co. Ltd. Alle in den Experimenten verwendeten chemischen Reagenzien wurden ohne weitere Reinigung verwendet.

β-Ga₂ O₃ Film wurde durch RF-Magnetron-Sputtern bei Raumtemperatur hergestellt. Zur Charakterisierung wurde der Film auf einem Saphirsubstrat mit (0001)-Ebene abgeschieden. Vor der Abscheidung wurde das Substrat in einer gemischten Lösung aus Ammoniakwasser, Wasserstoffperoxid und entionisiertem Wasser (1:1:3) bei 80 °C 30 min lang nass gereinigt. Es wurde wiederholt mit entionisiertem Wasser gespült und unter Verwendung von Stickstoff getrocknet, um Oberflächenverschmutzungen zu entfernen, die die Gleichmäßigkeit und Haftung des Films auf dem Substrat verbessern würden. Das Sputtern wurde bei einem Druck von 0,7 Pa durchgeführt, wobei Sauerstoff und Argon mit einer Geschwindigkeit von 5 bzw. 95 sccm strömten. Bei der Abscheidung des Films wurde eine Sputterleistung von 200  W für eine Dauer von 60 min verwendet. Schließlich wurde der abgeschiedene Film in Luft bei 800 °C (60 min) mit einer Heizrate von 10 °C/min getempert.

Kristalline Struktur von Ga₂ O₃ Film wurde unter Verwendung von Röntgenbeugung (XRD, EMPYREAN) und Transmissionselektronenmikroskop (TEM, JEM-2100) untersucht. Absorptionsspektren von Ga₂ O₃ Film auf Saphir-Substrat wurden durch UV-Vis-Spektroskopie (iHR-320) gemessen, die auch eine Abschätzung der optischen Bandlücke des Films lieferte. Die Oberflächenmorphologie und Dicke des abgeschiedenen Ga₂ O₃ Film wurden unter Verwendung eines Rasterkraftmikroskops (AFM, SPA-400) und eines optischen Mikroskops (LEICA DM 2700 M) charakterisiert. Elementaranalyse des Ga₂ O₃ Film wurde durch Röntgen-Photoelektronen-Spektroskopie (XPS, K-Alpha+) durchgeführt. Strom-Spannung (J -V ) Messung am NiO/β-Ga₂ O₃ Photodetektor wurde mit einem Keithley 2400 Source Meter durchgeführt. Alle Messungen wurden bei Raumtemperatur durchgeführt.

Ergebnisse und Diskussion

Abbildung 1a zeigt die XRD-Muster von Ga₂ O₃ Film, der auf der (0001)-Ebene des Saphirsubstrats vor und nach dem Tempern aufgewachsen ist. Vor dem Tempern wies der abgeschiedene Film einen amorphen Zustand auf, da nur zwei Peaks (mit "*" gekennzeichnet), die mit dem Substrat verbunden waren, im Muster beobachtet wurden. Nach dem Tempern des Films bei 800 °C zeigte das XRD-Muster sechs charakteristische Peaks, die den Kristallebenen der β-Phase von Ga₂ . entsprachen O₃ , das zum monoklinen Kristallsystem gehört. Das beobachtete Muster stimmt mit früher berichteten Arbeiten überein [15, 16]. Diese charakteristischen Spitzen des geglühten β-Ga₂ O₃ Film zeigte gute Kristallinität mit bevorzugter Orientierung entlang der Familie der (\( \overline{2} \) 01) Kristallebenen.

a XRD-Muster von β-Ga₂ O₃ auf der Ebene des Saphirsubstrats (0001) abgeschiedener Film, und die Spitzen des Saphirsubstrats sind als Sternchen (*) markiert. b UV-Vis-Absorptionsspektren von β-Ga₂ O₃ Film. c Diagramme von [α (hν )] ² gegen Photonenenergie. d–e TEM- und HRTEM-Bilder von β-Ga₂ O₃ Film nach dem Glühen. f AFM-Bilder von β-Ga₂ O₃ Film. g–h Optische und AFM-Bilder an der Stufenkante zwischen Film und Substrat

Abbildung 1d und e sind TEM- und HRTEM-Bilder von β-Ga₂ O₃ Film nach dem Glühen. Wie gezeigt, betrug der Gitterabstand der Kristallebenen (\( \overline{2} \) 01), (400) und (\( \overline{2} \) 02) 4,69 Å, 2,97 Å und 2,83 Å , was wiederum auf eine gute Kristallinität hindeutet und in guter Übereinstimmung mit früher in der Literatur veröffentlichten Arbeiten steht [17, 18].

AFM-Bild des β-Ga₂ O₃ Ein auf einem Saphirsubstrat abgeschiedener Film ist in Fig. 1f gezeigt. Der wie abgeschiedene Film zeigte eine gleichförmige körnige Oberflächentopographie mit einem relativ kleinen quadratischen Mittelwert (RMS) der Oberflächenrauhigkeit von 1,36 nm. Nach dem Tempern stieg die RMS-Rauheit des Films auf 1,68 nm an. Eine solche Zunahme der RMS-Rauheit nach dem Glühen wurde auch von Hao et al. [19] berichtet. Es ist möglich, dass die Glühbehandlung zu Oberflächenstrukturfehlern führt. Weitere Studien sind erforderlich, um die Ursache der Veränderung der Oberflächenmorphologie nach dem Tempern zu verstehen. AFM-Topographiebilder der Stufenkante zwischen Film und Substrat vor und nach dem Tempern sind in Abb. 1 g und h gezeigt, wobei die Linienprofile (im Einschub) eine Filmdicke von 114 ± 6,4 nm und 123 ± 2,0 nm ( etwa 8 % Anstieg). Die Zunahme der Filmdicke und des RMS nach dem Tempern könnte darauf zurückzuführen sein, dass der Phasenübergang von amorph zu kristallin zum Wachstum von Nanokristallkornen führt.

UV-Vis-Absorptionsspektren von β-Ga₂ O₃ Filme vor und nach dem Tempern sind in Abb. 1b gezeigt. Beide Filme zeigten eine starke UV-Absorption im Bereich von 190–300 nm und fast keine Absorption im sichtbaren Lichtband. Dies zeigte, dass die Glühbehandlung keinen signifikanten Einfluss auf die Absorptionskante hatte. Es führte nur zu einer kleinen Rotverschiebung von etwa 10 nm mit einer leichten Verstärkung des Absorptionspeaks. Gl. (1) kann verwendet werden, um die optische Bandlückenenergie (E g) des Films.

wobei α ist der Absorptionskoeffizient, hν Photonenenergie ist und A ist eine Konstante. Unter Berücksichtigung der mit AFM gemessenen Schichtdicken beträgt das E g der abgeschiedenen und getemperten Filme kann aus den Diagrammen in Abb. 1c bestimmt werden, die einen Wert von 5,137  eV bzw. 5,135  eV anzeigten. Diese Werte liegen nahe am theoretischen E g von 4.9 eV für β-Ga₂ O₃ .

XPS-Spektren von β-Ga₂ O₃ Film sind in Abb. 2 gezeigt. Die Abbildungen 2a–c und d–f zeigen XPS-Spektren des vollständigen Scans, Ga- und O-Elemente vor bzw. nach dem Tempern. Das C-Element, das bei der vollständigen Abtastung beobachtet wurde, war zufälliger Kohlenstoff. Nach dem Glühen war der C 1 s-Peak deutlich reduziert, was darauf hinweist, dass der größte Teil des Kohlenstoffs während der Glühbehandlung entfernt wurde. Die Bindungsenergie von Ga3d in Abb. 2b und e entspricht 21,14 eV bzw. 20,70 eV, was der Ga-O-Bindung der Proben entspricht, und die Bindungsenergie nach dem Tempern ist um 0,44 eV reduziert. Die O 1 s-Peaks wurden mit zwei Komponenten versehen, die mit Sauerstoffleerstellen assoziiert sind (O_V ) und Gittersauerstoff (O_L ). Die Flächenverhältnisse von O_V und O_L (z. B. S_OV :S_OL) vor und nach dem Tempern betrugen 0,47 bzw. 0,12. Dies deutet auf eine Zunahme der Gittersauerstoffatome aufgrund der Glühbehandlung hin, die zur Kristallisation führt, wenn sich die Sauerstoffatome zu ihren entsprechenden Gitterplätzen bewegen.

XPS-Spektren von β-Ga₂ O₃ Film. Vermessungsscan, Ga 3d- und O1s-Kernniveau-Peaks, die vor dem Tempern erfasst wurden, sind in a–c . dargestellt und nach dem Tempern sind in d–f . dargestellt , bzw.

Ein UV-Photodetektor bestehend aus β-Ga₂ O₃ Film hergestellt wurde. Für den Photodetektor wurde eine einfache vertikale Struktur entworfen, die aus ITO/NiO/Ga₂ . besteht O₃ /Al. Ein schematisches Diagramm der Gerätestruktur ist in Fig. 3a gezeigt. Eine NiO-Schicht wurde zuerst auf ein ITO-beschichtetes Quarzsubstrat gesputtert, nachdem die gleichen Nassreinigungsverfahren wie für das Saphirsubstrat angewendet wurden, und die detaillierte Vorbereitung und Charakterisierung des NiO-Films wurden in Zusätzliche Datei 1 gezeigt:Abbildung S1 und Abbildung S2. Ga₂ O₃ Die Schicht wurde dann unter Verwendung der oben erwähnten Abscheidungsparameter gesputtert. Der präparierte Heteroübergang wurde in Luft bei 600 °C für 30 Minuten getempert, um eine Beschädigung des ITO durch Hitze zu vermeiden (mit dem Wissen, dass β-Ga₂ O₃ kann bei einer Glühtemperatur über 550 °C gebildet werden), gefolgt von einer Aufdampfung von Al-Elektroden (2 × 2 mm ² ) auf der Oberfläche von Ga₂ O₃ Film. Schließlich wurden die Al-Elektroden und das ITO-Substrat als obere bzw. untere Elektroden verwendet.

a Schematische Darstellung der Gerätestruktur bestehend aus ITO/NiO/β-Ga₂ O₃ /Al. b Energiebanddiagramm des Photodetektors. c–d Gemessenes J-V und log J-V Kurven des mit Licht unterschiedlicher Wellenlänge beleuchteten Photodetektors und unter dunklen Bedingungen. e–f Gemessenes J-V und log J-V Kurven des Photodetektors unter einer UV-Beleuchtung von 245 nm mit unterschiedlicher Leistungsdichte. g–h Reaktionsfähigkeit (R ) und Detektivität (D *) bzw. des Photodetektors bei unterschiedlichen Vorspannungen unter 245 nm Lichtbeleuchtung

Abbildung 3b zeigt das Energiebanddiagramm des Fotodetektors. Wir haben das E . berechnet g NiO-Film nach Gl. (1) wie in Zusatzdatei 1 gezeigt:Abbildung S3. Das E g des NiO-Films beträgt nach dem Tempern etwa 3,4 eV. Die Energie der großen Bandlücke von β-Ga₂ O₃ (5,1 eV) und NiO (3,4 eV) Schichten reagiert auf UV-Licht. Unter UV-Beleuchtung (hν ) gewinnen Elektronen genug Energie, um in das Leitungsband zu gelangen, das Elektron-Loch-Paare erzeugt. Diese photogenerierten Elektron-Loch-Paare wurden durch das eingebaute elektrische Feld getrennt und von den jeweiligen Elektroden gesammelt. Hier kann die Heterostruktur mit geeigneter Bandausrichtung die Ladungstrennung und -sammlung erleichtern.

Die Leistung des Heteroübergangs-Photodetektors wurde anhand der gemessenen J . untersucht -V und log J -V Plots, die von dem Hintergrundbeleuchtungs-Einfallsgerät erfasst wurden. Abbildung 3 c und d veranschaulichen das J -V und log J -V Kurven des mit Licht unterschiedlicher Wellenlänge beleuchteten Photodetektors bzw. unter dunklen Bedingungen. Wenn der Fotodetektor mit einem 245-nm-UV-Licht mit 27 μWcm ^–2 . beleuchtet wurde , ein drastischer Anstieg der Stromdichte, bis zu 1,38 mAcm ⁻² , wurde bei einer angelegten Spannung von 10 V beobachtet. Die Stromdichte nimmt auch zu, wenn sie mit 285- und 365-nm-UV-Licht bestrahlt wird. Im Vergleich zu den anderen beiden UV-Lichtern können jedoch mit 245 nm UV-Licht mehr Elektron-Loch-Paare effektiv angeregt werden, was die Detektion im tiefen UV-Bereich des Geräts zeigt.

J -V und log J -V Die Kurven des Photodetektors wurden unter einer UV-Beleuchtung von 245 nm mit unterschiedlicher Leistungsdichte gemessen, wie in Abb. 3e bzw. f gezeigt. Die Messungen wurden unter Dunkel- und UV-Lichtbedingungen durchgeführt. Die Stromdichte nimmt mit der Lichtintensität unter einer 245-nm-UV-Beleuchtung zu, was darauf hindeutet, dass der Photodetektor die Fähigkeit besitzt, als Reaktion auf 245 nm-UV-Licht Photostrom zu erzeugen.

Die Auswirkung der Vorspannung auf die Ansprechempfindlichkeit (R ) des Geräts ist in Abb. 3g dargestellt. R hängt mit der Photostromdichte zusammen (J _ph ) nach Gl. (2) [5]:

wo P _wählen ist die Photonenleistungsdichte mit einem Wert von 1,5 mWcm ^–2 . Ein Anstieg des R war aus Abb. 3g ersichtlich, wenn die Vorspannung des Geräts bei einer festen Photonenleistungsdichte ansteigt. Das maximale R war 27,43 AW ⁻¹ gemessen unter einer 245-nm-Beleuchtung (27 μWcm ⁻² ) bei einer Vorspannung von 10 V.

Detektivität (D *) ist ein weiterer wichtiger Parameter zur Bewertung der Leistung von Photodetektoren. D * des Photodetektors kann mit Gl. (3) wie folgt [20, 21]:

wo q ist die absolute Elektronenladung (1.602 × 10 ⁻¹⁹ C) und J _d ist die Dunkelstromdichte. Die Beziehung zwischen D * und die Vorspannung ist in Abb. 3h dargestellt, die einen Anstieg von D . zeigt * mit steigender Vorspannung. Das maximale D * war 3,14 × 10 ¹² cmHz ^1/2 W ⁻¹ gemessen unter einer 245-nm-Beleuchtung (27 μWcm ⁻² ) bei einer Vorspannung von − 10 V. Basierend auf den Werten von R und D *, das NiO/β-Ga₂ O₃ Photodetektor zeigte eine hohe Leistung bei der UV-Detektion im Vergleich zu anderen NiO-basierten und Ga₂ O₃ -basierte UV-Detektoren in Tabelle 1.

Schlussfolgerungen

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass β-Ga₂ O₃ Der Film wurde durch RF-Magnetron-Sputtern hergestellt und zeigte nach dem Tempern bei 800ºC eine gute Kristallinität. Das Material mit großer Bandlücke zeigte eine starke UV-Absorption im Bereich von 190–300 nm. Der Deep-UV-Photodetektor auf Basis von NiO/β-Ga₂ O₃ Heterostruktur war hochempfindlich gegenüber 245 nm UV-Licht mit hoher Empfindlichkeit (R ) und Detektivität (D *) von bis zu 27,43 AW ⁻¹ und 3,14 × 10 ¹² cmHz ^1/2 W ⁻¹ , bzw. Es wird angenommen, dass die Leistung des UV-Photodetektors durch Dotieren oder Optimieren der Gerätestruktur weiter verbessert werden kann.

Verfügbarkeit von Daten und Materialien

Die Schlussfolgerungen in diesem Manuskript basieren auf den Daten (Haupttext und Abbildungen), die in diesem Papier präsentiert und gezeigt werden.

Abkürzungen

AFM:

Rasterkraftmikroskop

ITO:

Indium-Zinn-Oxid

TEM:

Transmissionselektronenmikroskop

UV:

Ultraviolett

XPS:

Röntgenphotoelektronenspektroskopie

XRD:

Röntgenbeugung