Untersuchung des Energiebandes an einer Atomschicht mit abgeschiedenen AZO/β-Ga2O3 (\( \overline{2}01 \)) Heteroübergängen

Hintergrund

Vor kurzem wurde ein Oxidhalbleiter Ga₂ O₃ hat aufgrund seiner einzigartigen Eigenschaften wie der großen Bandlücke, der hohen Sättigungselektronengeschwindigkeit und der hohen Temperaturbeständigkeit breites Interesse auf sich gezogen [1]. Es gibt fünf Arten von Isomeren für Ga₂ O₃ :α, β, γ, δ und ε, wobei β-Ga₂ O₃ kann einfacher angebaut werden und wurde umfassend untersucht [2]. Insbesondere β-Ga₂ O₃ hat ein größeres elektrisches Durchschlagsfeld als das herkömmlicher Halbleitermaterialien der dritten Generation, wie SiC und GaN [3]. Die n-leitenden Eigenschaften können durch Dotieren von Sn [4] oder Si [5] moduliert werden. Also β-Ga₂ O₃ -basierte Geräte [6, 7] haben breite Anwendungsperspektiven in den Bereichen Informationstechnologie, Energieeinsparung und Emissionsreduzierung. β-Ga₂ O₃ -basierte Geräte haben eine gemeinsame Einschränkung:den Kontakt zwischen β-Ga₂ O₃ und die meisten Metalle neigen wegen der großen Barriere, die durch die große Bandlücke und die endliche Ladungsträgerkonzentration induziert wird, dazu, Schottky zu sein. In den letzten Jahren wurde das Einfügen einer Zwischenschicht wie ITO [8] und AZO [9] zwischen Ga₂ O₃ und Metallen hat sich als eine gültige Methode erwiesen, um die Energiebarriere zwischen β-Ga₂ . zu reduzieren O₃ und Metall.

Al-dotiertes Zinkoxid (ZnO) hat aufgrund des geringen spezifischen Widerstands und der geringeren Herstellungskosten als ITO viel Aufmerksamkeit erlangt [10]. Insbesondere die hohe thermische Stabilität, hohe Mobilität und Ladungsträgerkonzentration machen es zu einem vielversprechenden Kandidaten für die Zwischenhalbleiterschicht (ISL) [11]. Bisher können Al-dotierte ZnO-Filme durch die folgenden Techniken gezüchtet werden:Molekularstrahlepitaxie (MBE) [12], Magnetronsputtern [13], chemische Gasphasenabscheidung (CVD) [14] und Atomlagenabscheidung (ALD) [ fünfzehn]. Insbesondere ist ALD eine bekannte Methode zur Herstellung von Filmen mit Nanodicke, die aufgrund der selbstbegrenzenden Oberflächenreaktion einschließlich der selbstbegrenzenden chemischen Adsorption und der selbstbegrenzenden sequentiellen Reaktion eine großflächige ausgezeichnete Gleichmäßigkeit und eine einheitliche Wachstumsrate pro Zyklus aufweisen [16]. Darüber hinaus kann ALD die Grenzflächenstörung reduzieren und die Al-Dotierungskonzentration genauer modulieren, indem die Verhältnisse der Wachstumszyklen geändert werden.

Beachten Sie, dass der Leitungsbandversatz (CBO) die Energiebarriere für den Elektronentransport bestimmt, sodass ein kleinerer CBO vorteilhaft ist, um einen ohmschen Kontakt zu bilden. Basierend auf unseren früheren Arbeiten [17] ändert sich durch Erhöhung der Al-Dotierungskonzentration der Al-dotierte ZnO-Film von polykristalliner zu amorpher Natur, und auch seine Bandlücke wird größer. Die Bandversätze von verschiedenen Al-dotierten ZnO/β-Ga₂ O₃ Heterojunctions wurden nicht umfassend untersucht. In dieser Arbeit wurden die ZnO-Filme mit unterschiedlichen Al-Dotierungsverhältnissen jeweils auf β-Ga₂ . abgeschieden O₃ Substrate von ALD. Die Ergebnisse zeigen, dass VBO und CBO fast linear vom Al-Dotierungsverhältnis abhängig sind.

Methoden

Die Substrate sind Bulk-β-Ga₂ O₃ (\( \overline{2}01 \)) und die Dotierungskonzentration beträgt etwa 3 × 10 ¹⁸ /cm ³ . Der Reinigungsprozess für Ga₂ O₃ Die Substrate wurden dreimal in Aceton und Isopropanol alle 10 Minuten mit Ultraschall gewaschen. Anschließend wird das Ga₂ O₃ Substrate wurden mit entionisiertem Wasser gespült. Danach wurden die Al-dotierten ZnO-Filme auf dem Ga₂ . aufgewachsen O₃ Substrat von ALD (Wuxi MNT Micro Nanotech Co., LTD, China). Es wurden drei Arten von Proben hergestellt. Zuerst wurden die undotierten ZnO-Filme durch ALD mit den Vorläufern von Zn (C₂ H₅ )₂ (DEZ) und H₂ O um 200  ^o C. Zweitens wurden die Al-dotierten ZnO-Filme durch Zugabe eines Impulses von Trimethylaluminium (TMA) und H2 O jeden 19. Zyklus von DEZ und H₂ O-Pulsen (als 5 % Al-Dotierung bezeichnet) bei einer Substrattemperatur von 200  ^o C während ALD. Drittens wurden auch die Al-dotierten ZnO-Filme mit einem Verhältnis von 9:1 (bezeichnet als 10% Al-Dotierung) hergestellt. Die Wachstumsrate von ZnO und Al₂ O₃ betrug 0,16 bzw. 0,1 nm/Zyklus. Jede Filmart umfasste zwei unterschiedliche Dicken, d. h. 40 nm und 10 nm für den dicken bzw. dünnen Film. Darüber hinaus ist das β-Ga₂ O₃ Substrat wurde verwendet, um das Schüttgut zu untersuchen. Ga 2p , Zn 2p CLs und das Valenzbandmaximum (VBM) wurden durch Röntgenspektroskopie (XPS) (AXIS Ultra DLD, Shimadzu) gemessen und der Auflösungsschritt der XPS-Spektren beträgt 0,05 eV. Um die Oberflächenkontamination der Probe während des Transferprozesses von der ALD in die XPS-Kammer zu vermeiden, wurde vor der XPS-Messung eine Ar-Ionenätzung durchgeführt. Beachten Sie, dass der Ladungseffekt das XPS-Spektrum und den BE von C 1s . verschieben kann Peak wird auf 284,8 eV kalibriert, um das Problem zu lösen.

Ergebnisse und Diskussionen

Der Valenzband-Offset (VBO) von Al-dotiertem ZnO/β-Ga₂ O₃ Heteroübergang kann durch die Formel wie folgt erhalten werden [18]:

wobei\({E}_{\textrm{Ga}\ 2p}^{{\textrm{Ga}}_2{\textrm{O}}_3}\) sich auf die Bindungsenergie (BE) von Ga 2p Kernebene (CL) in Bulk-β-Ga₂ O₃ , \( {E}_{\mathrm{VBM}}^{{\mathrm{Ga}}_2{\mathrm{O}}_3} \) bezieht sich auf den BE von VBM im Volumen β-Ga₂ O₃ , \( {E}_{\textrm{Zn}\ 2p}^{\textrm{AZO}} \) bezieht sich auf die BE von Zn 2p CL in dicken Al-dotierten ZnO-Filmen, \({E}_{\mathrm{VBM}}^{\mathrm{AZO}}\) bezieht sich auf den BE von VBM in dicken Al-dotierten ZnO-Filmen. Letztere \({E}_{\textrm{Ga}\ 2p}^{{\textrm{Ga}}_2{\textrm{O}}_3}\) und \({E}_{\textrm{Zn }\ 2p}^{\mathrm{AZO}} \) beziehen sich auf die BE von Ga 2p und Zn 2p CLs in dünnen Al-dotierten ZnO-Filmen.

Anschließend basierend auf dem E _g und ∆E _V , das CBO am Al-dotierten ZnO/β-Ga₂ O₃ Schnittstelle kann durch die folgende Gleichung berechnet werden:

wobei\( {E}_g^{{\mathrm{Ga}}_2{\mathrm{O}}_3} \) die Bandlücke von Ga₂ . ist O₃ und \({E}_g^{\mathrm{AZO}}\) ist die Bandlücke von Al-dotiertem ZnO. Die Bandlücken für undotiertes, 5% Al-dotiertes ZnO, 10% Al-dotiertes ZnO und β-Ga₂ O₃ sind 3,20 eV, 3,25 eV, 3,40 eV bzw. 4,65 eV [17, 19]. Die Bandlücke nimmt mit einem höheren Al-Dotierungsverhältnis zu und stimmt gut mit der Simulation im nächsten Teil überein.

Abbildung 1 zeigt die Ga- und Zn-Elemente CLs und VBM von β-Ga₂ O₃ , dicke undotierte und 5 % und 10 % Al-dotierte ZnO-Filme. Die Anpassung des linearen Bereichs und der flachen Bandzone aus dem VBM-Spektrum kann auf das VBM schließen [20]. Abbildung 2 zeigt Ga 2p und Zn 2p CL aus verschiedenen dünnen Al-dotierten ZnO/β-Ga₂ O₃ Heterojunctions. Die BE-Unterschiede von Ga 2p und Zn 2p CLs für das undotierte, 5% Al-dotierte ZnO/β-Ga₂ O₃ , und 10 % Al-dotiertes ZnO/β-Ga₂ O₃ ergeben sich zu 96,12 eV, 96,16 eV bzw. 95,94 eV. Dann werden die VBOs an den Grenzflächen zu 1,39 eV, 1,52 eV und 1,67 eV für das undotierte, 5 % Al-dotierte ZnO/β-Ga₂ . bestimmt O₃ , und 10 % Al-dotiertes ZnO/β-Ga₂ O₃ Proben.

Hochauflösende XPS-Spektren für Kernebene und Valenzbandmaximum (VBM) von a Ga 2p Core-Level-Spektrum und VBM von bloßem β-Ga₂ O₃ , b Zn 2p Kernniveauspektrum und VBM aus dickem reinem ZnO/β-Ga₂ O₃ , c Zn 2p Kernniveauspektrum und VBM aus dickem 5% Al-dotiertem ZnO/β-Ga₂ O₃ , und d Zn 2p Kernniveauspektrum und VBM aus dickem 10 % Al-dotiertem ZnO/β-Ga₂ O₃

Die Kernspektren von Ga 2p und Zn 2p erhalten aus hochauflösenden XPS-Spektren von a dünnes ZnO/β-Ga₂ O₃ , b dünnes 5% Al-dotiertes ZnO/β-Ga₂ O₃ , und c dünnes 10 % Al-dotiertes ZnO/β-Ga₂ O₃

Die systematische Bandausrichtung für das 0 %, 5 % und 10 % Al-dotierte ZnO/β-Ga₂ O₃ Heteroübergänge werden durch die obigen Gleichungen berechnet, wie in Abb. 3 gezeigt. Der Bandversatz von undotiertem ZnO/β-Ga₂ O₃ Heteroübergang gehört zum Typ I. Während sowohl 5% als auch 10% Al-dotiertes ZnO/β-Ga₂ O₃ Heterojunctions haben Typ-II-Band-Offsets. Abbildung 4 zeigt die Bandausrichtungen von Al-dotiertem ZnO/β-Ga₂ O₃ Grenzflächen haben eine ähnliche lineare Beziehung zur Al-Dotierungskonzentration. Das CBO variiert von 1,39 bis 1,67 eV, wobei die Al-dotierte Konzentration von 0 bis 10 % ansteigt. Während sich die VBO von 0,06 auf – 0,42 eV verringert, wobei die Al-dotierte Konzentration von 0 auf 10 % steigt. Es wird darauf hingewiesen, dass CBO und VBO für gesputtertes AZO/β-Ga₂ O₃ sind 0,79 eV bzw. 0,61 eV [9]. Sowohl das Leitungs- als auch das Valenzband verschieben sich in dieser Arbeit nach unten, was auf das unterschiedliche Zusammensetzungsverhältnis und die kristalline Struktur zurückzuführen sein könnte, die durch abgeschiedene Methoden eingeführt wurden.

Schematische Darstellung der Bandausrichtung von a reines ZnO/β-Ga₂ O₃ , b 5% Al-dotiertes ZnO/β-Ga₂ O₃ , und c 10 % Al-dotiertes ZnO/β-Ga₂ O₃

Die Leitungs- und Valenzband-Offsets von atomschichtabgeschiedenem AZO/β-Ga₂ O₃ Heteroübergänge, die mit unterschiedlichen Al-Dotierungsverhältnissen hergestellt wurden

Darüber hinaus wurden First-Principle-Simulationen mit dem Vienna Ab-initio Simulation Package (VASP) [21,22,23,24] durchgeführt, um die elektronische Bandstruktur und die Bandausrichtung von Al-dotiertem ZnO/Ga_{2 . zu untersuchen} O₃ Heterojunctions. Bei der Berechnung wurden die Elektron-Ion-Wechselwirkungen durch die ultraweichen Pseudopotentiale behandelt und die Wellenfunktionen und Potentiale um die Ebene-Wellen-Basis erweitert [25]. Außerdem wurde die von Perdew, Burke und Ernzerhof (PBE) vorgeschlagene generalisierte Gradientenapproximation (GGA) implementiert, um die Austauschkorrelationsenergien zu beschreiben [26]. Vor Beginn der Simulation wurden Konvergenztests durchgeführt. Es zeigte sich, dass die Grenzenergie von 450 eV für die ebene Wellenbasis und k-Raum-Gitter von 3 × 3 × 3 mit dem Monkhorst-Pack-Schema die gut konvergenten Ergebnisse lieferte. Bei der Strukturoptimierung wurde eine konjugierte Gradientenmethode verwendet und die Restkraft bis auf weniger als 0,01 eV/Å abgebaut. Darüber hinaus wurden die hybriden Dichtefunktionen basierend auf der semilokalen PBE-Approximation implementiert. Um die unterschätzte Bandlücke zu korrigieren, wurden 35 % des PBE-Austauschs durch den exakten ersetzt [27]. Um die Bandkantenverschiebung mit der Änderung des Al-Dotierungsniveaus zu identifizieren, wurde das durchschnittliche elektrostatische Potential (AEP) berechnet und auf das auf 0 V skalierte Vakuumniveau ausgerichtet. Die VBM und das Leitungsbandminimum (CBM) wurden folglich auf . ausgerichtet die AEP basierend auf dem Banddiagramm [28]. In dieser Arbeit wurde Bulk-ZnO mit 16 O-Atomen und 16 Zn-Atomen in der Superzelle verwendet. Um die Al-Dotierung einzuführen, wurden ein oder zwei Zn-Atome in der Superzelle durch die Al-Atome ersetzt, wodurch die Al-dotierte Struktur mit einer Dotierungskonzentration von 3,21% bzw. 6,25 % erzeugt wurde.

Abbildung 5 a–c zeigt die berechneten Banddiagramme der undotierten, 3.21% Al-dotierten ZnO- bzw. 6.25% Al-dotierten ZnO-Strukturen. Es zeigt deutlich, dass ZnO ein Halbleiter mit direkter Bandlücke mit einer Bandlücke von 3,42 eV ist und sich sowohl die CBM als auch die VBM am Γ-Punkt der Brillouin-Zone befanden. Diese theoretischen Simulationsergebnisse stimmen recht gut mit dem experimentellen Wert überein [29]. Bei der Al-Dotierung konnte festgestellt werden, dass sich die Fermi-Niveaus nach oben ins Leitungsband verschoben, was das reine ZnO in einen n-Halbleiter umwandelt. In der Zwischenzeit stiegen die Bandlücken auch auf 4,83 eV und 5,42 eV für 3,21% Al-dotiertes ZnO bzw. 6,25% Al-dotiertes ZnO. Obwohl die Bandlücken hier für das dotierte ZnO höher sind als unsere experimentellen Ergebnisse; dies könnte jedoch auf die Vernachlässigung von Grenzflächendefektzuständen sowie anderen Kristalldefekten zurückgeführt werden.

Das berechnete Banddiagramm von a undotiertes ZnO, b 3,21% Al-dotiertes ZnO und c 6,25% Al-dotierte ZnO-Struktur. Die Fermi-Werte wurden auf 0 eV gesetzt

Abbildung 6 a–c zeigt die Bandausrichtungen von undotiertem, 3,21% Al-dotiertem ZnO und 6,25% Al-dotiertem ZnO auf Vakuumniveau. Für die Leitungsbänder der Materialien konnte aufgrund der starken Elektronenmischung zwischen dem Al- und O-Element festgestellt werden, dass das Energieniveau von − 6,19 eV des ZnO auf − 6,81 eV für das 3,21% Al-dotierte ZnO ( ΔE = 0,62 eV ) und sinkt weiter auf − 7,48 eV für das 6,25% Al-dotierte ZnO (ΔE = 1,29 eV ). In der Zwischenzeit konnte aufgrund der Öffnung der Bandlücke auch festgestellt werden, dass sich die Valenzbandkante von − 9,59 eV für das ZnO nach unten bewegt auf − 11,64 eV für 3,21% Al-dotiertes ZnO (ΔE = 2,05 eV ) und − 12,9 eV für das 6,25% Al-dotierte ZnO (ΔE = 3,31 eV ). Alles in allem könnte man aufgrund der starken Al- und O-Elektronenmischung verstehen, dass der Einbau von Al in das ZnO die Bandlücken öffnen würde. Darüber hinaus würde es sowohl das Leitungsband als auch die Valenzbandkante in Richtung des niedrigeren Energieniveaus verschieben, wenn es auf das Vakuumniveau ausgerichtet wird.

Die Bandausrichtung von AZO/β-Ga₂ O₃ Heterojunctions mit a undotiert, b 3,21% und c 6,25% Al-dotiertes ZnO. Die Vakuumwerte wurden auf 0 eV skaliert