Energiebandaustritt in atomlagenabscheideten ZnO/β-Ga₂O₃ (über 2 01) Heteroübergängen durch XPS aufgedeckt

Zusammenfassung

Wir untersuchten die Bandausrichtung von ZnO/β-Ga₂O₃ (über 2 01) Heteroübergängen mittels Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS). Atomlagenabscheidete (ALD) ZnO-Filme wurden bei 150 °C, 200 °C und 250 °C gewachsen. Alle Grenzflächen zeigten Typ-I-Ausrichtung. Der Leitungsbandoffset (CBO) stieg von 1,26 eV auf 1,47 eV mit steigender Wachstumstemperatur, während der Valenzbandoffset (VBO) von 0,20 eV auf 0,01 eV abnahm. Der Anstieg des CBO wird auf Zn-Interstitielle zurückgeführt, während die Reduktion des VBO aus dem Akzeptor-typischen V_Zn + OH-Komplex resultiert. Diese Einsichten bieten eine quantitative Grundlage für das Engineering von ZnO/β-Ga₂O₃-Heterostrukturen in der Hochleistungs-Elektronik.

Einleitung

Galliumoxid (Ga₂O₃) etabliert sich als führender ultrawide-Bandgap (UWBG) Halbleiter für nächste-Generation Leistungsbauelemente, dank seiner 4,5–4,9 eV Bandlücke, exzellenter thermischer Stabilität und 8 MV cm⁻¹ Durchbruchsfeld, das SiC und GaN übertrifft. Unter seinen Polymorphen bietet monoklines β-Ga₂O₃ die höchste thermische Belastbarkeit und eine Bulk-Elektronenbeweglichkeit von ≈100 cm² V⁻¹ s⁻¹, was es attraktiv für solarblinde Photodetektoren und MOSFETs macht. Dennoch bleibt das Erreichen niederohmiger ohmscher Kontakte herausfordernd, und das Einfügen einer intermediären Halbleiterschicht (ISL) mit hoher Elektronenkonzentration hat sich als effektiv erwiesen, interfaciale Barrieren zu mildern. Zinkoxid (ZnO) ist ein überzeugender ISL-Kandidat: es hat eine 3,3 eV Bandlücke, hohe Exziton-Bindungsenergie (60 meV) und Elektronenkonzentration über 10¹⁹ cm⁻³. Die Gitterfehlanpassung mit β-Ga₂O₃ liegt unter 5 %, was Dehnung reduziert. Traditionelle Abscheidemethoden – hydrothermal und CVD – leiden entweder unter langsamen Wachstum oder erfordern Temperaturen über 900 °C, was Bauelementintegration limitiert. Atomlagenabscheidung (ALD) bietet jedoch sub-nanometer Dickenkontrolle, exzellente Stufenbedeckung und niedrige Abscheidetemperaturen, was sie ideal für hochwertige ZnO-Filme auf β-Ga₂O₃ macht. Trotz theoretischer Vorhersagen von ZnO/β-Ga₂O₃-Bandoffsets fehlte experimentelle Bestimmung. Diese Studie schließt diese Lücke, indem sie die Bandausrichtung von ALD-gewachsenem ZnO auf β-Ga₂O₃ misst und die Temperaturabhängigkeit der Offsets untersucht.

Methoden

Sn-dotierte β-Ga₂O₃ (über 2 01) Substrate (≈3 × 10¹⁸ cm⁻³) wurden in 6 × 6 mm² Stücke geschnitten. Sie wurden sequenziell in Aceton und Isopropanol (je 10 min, Ultraschall) gereinigt, gefolgt von deionisiertem Wasser Spülen. Die Substrate wurden dann in einen Wuxi MNT Micro-Nanotech ALD-Reaktor geladen. ZnO-Filme (5 nm und 40 nm) wurden bei 150 °C, 200 °C und 250 °C mit Zn(C₂H₅)₂ (DEZ) und H₂O Vorläufern abgeschieden. Die Wachstumsrate betrug ~1,6 Å Zyklus⁻¹. Filmdicken wurden mit einem Sopra GES-5E Ellipsometer verifiziert. Ein 40-nm ZnO/β-Ga₂O₃ Sample diente als Bulk-Standard, während 5-nm ZnO/β-Ga₂O₃ für Bandoffset-Bestimmung genutzt wurde; blankes β-Ga₂O₃ diente als Kontrolle. XPS-Messungen (AXIS Ultra DLD, Shimadzu) wurden mit 0,05 eV Schritten durchgeführt, nach 3-min Ar-Ionen-Ätzen bei 2 kV zur Entfernung von Oberflächenkontamination. Alle Spektren wurden auf den C 1s Peak bei 284,8 eV kalibriert. Valenzbandmaxima (VBM) wurden durch lineare Extrapolation der vorderen Kante extrahiert. UV-VIS Transmissionsspektren (Lambda 750, PerkinElmer) wurden aufgenommen, um optische Bandlücken via Tauc-Analyse zu bestimmen.

Ergebnisse und Diskussion

Abbildung 1 zeigt die Tauc-Plots (αhv)¹/² versus Photonenenergie für bulk β-Ga₂O₃ und ZnO gewachsen bei 200 °C. Die extrahierten optischen Bandlücken betragen 4,65 eV für β-Ga₂O₃ und 3,20 eV für ZnO, konsistent mit Literatur.

Abbildung 1. (a) (αhv)¹/² versus Photonenenergie für ZnO auf Quarz; (b) für β-Ga₂O₃ auf Substrat. Insets zeigen entsprechende Transmissionsspektren.

Der VBO wurde mit Krauts Methode berechnet:

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

Kernniveau-Spektren (Abbildung 2) zeigen symmetrische Zn 2p und Ga 2p Peaks, bestätigend uniforme Bindung. Der Zn 2p Peak bei 1021,09 eV und der Ga 2p Peak bei 1117,78 eV entsprechen Zn–O bzw. Ga–O Bindungen. VBM-Werte von 2,11 eV (ZnO) und 2,74 eV (β-Ga₂O₃) wurden via linearer Extrapolation erhalten. Anwendung von Gl. (1) gibt einen VBO von 0,06 eV.

Abbildung 2. Hochauflösende XPS-Spektren von (a) Zn 2p und VBM (40 nm ZnO/β-Ga₂O₃), (b) Ga 2p und VBM (blankes β-Ga₂O₃), und (c) Ga 2p/Zn 2p (5 nm ZnO/β-Ga₂O₃).

Der CBO folgt aus:

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

Das resultierende Banddiagramm (Abbildung 3) bestätigt Typ-I-Ausrichtung, mit sowohl ZnO Leitungs- als auch Valenzband vollständig innerhalb der β-Ga₂O₃-Lücke eingebettet.

Abbildung 3. Schematik der ZnO (200 °C)/β-Ga₂O₃ Heteroübergang Bandausrichtung.

Um Temperatureffekte zu bewerten, wurden ZnO-Filme auch bei 150 °C und 250 °C gewachsen. Hochauflösende O 1s Spektren (Abbildung 4) dekonvolutiert in Zn–O, Sauerstoff-Vakanz- und –OH-Komponenten. Der Sauerstoff-Vakanz-Anteil stieg von 10,7 % auf 15,0 % mit steigender Temperatur, während –OH von 5,1 % auf 1,9 % abnahm. Diese Trends reflektieren verstärkte Vorläuferzersetzung und vollständigere Oberflächenreaktionen bei höheren Temperaturen.

Abbildung 4. Hochauflösende O 1s XPS-Spektren von ZnO-Filmen bei (a) 150 °C, (b) 200 °C und (c) 250 °C.

Abbildung 5 fasst die Temperaturabhängigkeit der Offsets zusammen. Der CBO steigt von 1,26 eV auf 1,47 eV, primär aufgrund erhöhter Zn-Interstitieller, die das Leitungsbandminimum (CBM) verschieben. Umgekehrt fällt der VBO von 0,20 eV auf 0,01 eV mit steigender Temperatur, zugeschrieben dem abnehmenden Einfluss des Akzeptor-Komplexes V_Zn + OH, der bei niedrigeren Temperaturen prevalenter ist. Daher ergibt niedrigere-Temperatur ZnO-Abscheidung eine reduzierte Elektronenbarriere an der Grenzfläche, vorteilhaft für ISL-Design.

Abbildung 5. Leitungs- und Valenzbandoffsets von atomlagenabscheideten ZnO/β-Ga₂O₃ Heteroübergängen als Funktion der Wachstumstemperatur.

Schlussfolgerungen

Atomlagenabscheidetes ZnO auf β-Ga₂O₃ (über 2 01) zeigt klare Typ-I-Bandausrichtung. Mit Erhöhung der ZnO-Wachstumstemperatur von 150 °C auf 250 °C wächst der CBO von 1,26 eV auf 1,47 eV, während der VBO von 0,20 eV auf 0,01 eV abnimmt. Diese Trends werden durch temperaturabhängige Defektchemie gesteuert – Zn-Interstitielle heben den CBO, während der V_Zn + OH Komplex den VBO senkt. Niedrigere-Temperatur ZnO-Abscheidung ist daher als intermediäre Halbleiterschicht vorteilhaft, um Elektronenbarrierehöhen in β-Ga₂O₃-basierten Leistungsbauelementen zu senken.

Abkürzungen

ALD

Atomlagenabscheidung

CBM

Leitungsbandminimum

CBO

Leitungsbandoffset

CVD

Chemische Gasphasenabscheidung

DEZ

Zn(C₂H₅)₂

Ga₂O₃

Galliumoxid

GaN

Galliumnitrid

ISL

Intermediäre Halbleiterschicht

MOSFETs

Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren

OH

Hydroxyl

SiC

Siliziumkarbid

UV-VIS

Ultraviolett-Visible Spektroskopie

VBM

Valenzbandmaximum

VBO

Valenzbandoffset

XPS

Röntgenphotoelektronenspektroskopie

ZnO

Zinkoxid