Ultraempfindlicher NiO/β-Ga₂O₃-Heteroübergang-UV-Photodetektor für fortschrittliche Anwendungen

Zusammenfassung

Ultraviolette (UV) Photodetektoren ziehen aufgrund ihrer breiten Anwendungen von Verteidigungstechnik bis optischer Kommunikation großes Interesse auf sich. Der Einsatz von Halbleitermaterialien mit breitem Bandlücken ist für die Entwicklung von UV-Photodetektoren aufgrund ihrer einzigartigen elektronischen und optischen Eigenschaften von großem Interesse. In dieser Arbeit wurde ein Tief-UV-Photodetektor auf Basis eines NiO/β-Ga₂O₃-Heteroübergangs entwickelt und untersucht. Die β-Ga₂O₃-Schicht wurde durch Magnetronsputtern hergestellt und zeigte nach dem Glühen eine selektive Orientierung entlang der (2̅01)-Kristallebenenfamilie. Der Photodetektor zeigte gute Leistung mit hoher Responsivität (R) von 27,43 A/W unter 245-nm-Bestrahlung (27 µW/cm²) und maximaler Detektivität (D*) von 3,14 × 10¹² cm·Hz¹ᐟ²/W, was auf den p-NiO/n-β-Ga₂O₃-Heteroübergang zurückzuführen ist.

Hintergrund

Die Entwicklung von Ultraviolett-Photodetektoren erfährt aufgrund vielfältiger Anwendungen – Raketenwarnung, biochemische Analyse, Flammen- und Ozondetektion, optische Kommunikation – großes Forschungsinteresse. Im Vergleich zu SiC- und GaN-Halbleitern bieten UV-Photodetektoren auf Basis von Metalloxid-Halbleitern mit breiter Bandlücke viele Vorteile: Sie oxidieren nicht so leicht, zeigen empfindliches Ansprechverhalten, sind einfach zu bedienen und können klein gebaut werden [1, 2]. Daher haben breitbandige Metalloxide und ihre Bauelemente in den letzten Jahren viel Aufmerksamkeit erregt. Bisher wurden Metalloxide wie ZnO [3–5], TiO₂ [6, 7], SnO₂ [8], NiO [9] und Ga₂O₃ [10, 11] für leistungsstarke UV-Photodetektoren untersucht. Darunter wird die stabile Phase von Ga₂O₃ (β-Ga₂O₃) aufgrund ihrer direkten, ultrabreiten Bandlücke von ~4,9 eV, die effektiv auf den UV-Bereich anspricht, zum bevorzugten Material. Der einfache Wachstumsprozess ist ein weiterer Vorteil.

Mehrere Gruppen versuchten, die Leistung von UV-Photodetektoren durch Heteroübergangsbauelemente aus zwei verschiedenen Metalloxid-Halbleitern zu steigern. Beispielsweise berichteten Zhao et al. über ZnO-Ga₂O₃-Kern-Schale-Heterostruktur-UV-Photodetektoren mit ultrahoher Responsivität und Detektivität durch einen Lawinen-Multiplikatoreffekt [12, 13]. In dieser Arbeit wurde ein anderer Metalloxid-Heteroübergang, NiO/β-Ga₂O₃, für einen hochleistungsfähigen UV-Photodetektor untersucht. Erstens ist der Gitterfehlanpassung zwischen β-Ga₂O₃ und NiO relativ gering. Zweitens ist die Bandlücke von NiO größer als die von ZnO in vorangegangenen Studien. Das p-Typ-Verhalten von NiO und n-Typ-β-Ga₂O₃ führte zu mehreren Berichten über elektrische Eigenschaften des NiO/β-Ga₂O₃-Heteroübergangs für Leistungselektronik [14]; Berichte zur Nutzung in Photodetektoren sind jedoch begrenzt. In dieser Studie wurde der NiO/β-Ga₂O₃-basierte UV-Photodetektor durch Magnetronsputtern auf einem Indium-Zinn-Oxid (ITO) transparenten Substrat hergestellt. Die Ergebnisse zeigten, dass der NiO/β-Ga₂O₃-Photodetektor eine hervorragende Empfindlichkeit für UV-Licht (245 nm) mit guter Stabilität aufweist.

Methoden

Ga₂O₃- und NiO-Keramiktargets (99,99 %) wurden von Zhongnuo Advanced Material (Beijing) Technology Co. Ltd. bezogen. Saphir-Substrate mit (0001)-Ebene kamen von Beijing Physike Technology Co. Ltd., ITO-beschichtete Quarzsubstrate von Beijing Jinji Aomeng Technology Co. Ltd. Alle Chemikalien wurden ohne weitere Reinigung verwendet.

Der β-Ga₂O₃-Film wurde bei Raumtemperatur durch HF-Magnetronsputtern abgeschieden. Zur Charakterisierung wurde der Film auf Saphir-Substrat mit (0001)-Ebene aufgebracht. Vor der Abscheidung wurde das Substrat in einer Mischlösung aus Ammoniakwasser, Wasserstoffperoxid und deionisiertem Wasser (1:1:3) bei 80 °C für 30 min nasschemisch gereinigt. Es wurde wiederholt mit deionisiertem Wasser gespült und mit Stickstoff getrocknet, um Oberflächenverunreinigungen zu entfernen, was Gleichmäßigkeit und Haftung des Films verbessert. Das Sputtern erfolgte bei 0,7 Pa Druck mit Sauerstoff- und Argonfluss von 5 bzw. 95 sccm. Eine Sputterleistung von 200 W wurde 60 min lang angewendet. Schließlich wurde der abgeschiedene Film in Luft bei 800 °C (60 min) bei einer Heizrate von 10 °C/min geglüht.

Die Kristallstruktur des Ga₂O₃-Films wurde mittels Röntgenbeugung (XRD, EMPYREAN) und Transmissionelektronenmikroskopie (TEM, JEM-2100) untersucht. Absorptionsspektren des Ga₂O₃-Films auf Saphir wurden durch UV-Vis-Spektroskopie (iHR-320) gemessen, was auch eine Schätzung der optischen Bandlücke ermöglichte. Oberflächenmorphologie und Dicke des abgeschiedenen Ga₂O₃-Films wurden mit einem Rasterkraftmikroskop (AFM, SPA-400) und einem optischen Mikroskop (LEICA DM 2700 M) charakterisiert. Die Elementanalyse erfolgte durch Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS, K-Alpha+). Strom-Spannungs-Messungen (J-V) am NiO/β-Ga₂O₃-Photodetektor wurden mit einem Keithley 2400 Source Meter durchgeführt. Alle Messungen erfolgten bei Raumtemperatur.

Ergebnisse und Diskussion

Abbildung 1a zeigt die XRD-Muster des Ga₂O₃-Films auf Saphir (0001) vor und nach dem Glühen. Vor dem Glühen war der abgeschiedene Film amorph – nur zwei Peaks (mit „*“ markiert), die dem Substrat zugeordnet sind, waren sichtbar. Nach Glühen bei 800 °C zeigte das XRD-Muster sechs charakteristische Peaks der β-Phase von Ga₂O₃ (monoklines Kristallsystem). Das beobachtete Muster stimmt mit früheren Arbeiten [15, 16] überein. Die Peaks des geglühten β-Ga₂O₃-Films zeigen gute Kristallinität mit bevorzugter Orientierung entlang der (2̅01)-Kristallebenenfamilie.

Abbildung 1d und e zeigen TEM- und HRTEM-Bilder des β-Ga₂O₃-Films nach dem Glühen. Die Gitterabstände der (2̅01), (400) und (2̅02) Ebenen betragen 4,69 Å, 2,97 Å und 2,83 Å, was wiederum gute Kristallinität bestätigt und gut mit der Literatur [17, 18] übereinstimmt.

Das AFM-Bild des β-Ga₂O₃-Films auf Saphir (Abb. 1f) zeigt eine gleichmäßige körnige Oberflächentopographie mit geringer quadratischer mittlerer Rauheit (RMS) von 1,36 nm im als-abgeschiedenen Zustand. Nach dem Glühen stieg die RMS-Rauheit auf 1,68 nm. Ein ähnlicher Anstieg wurde von Hao et al. [19] berichtet. Möglicherweise führt die Glühbehandlung zu Oberflächenstrukturdefekten; weitere Studien sind nötig. AFM-Topographiebilder der Stufenkante zwischen Film und Substrat vor und nach dem Glühen (Abb. 1g, h) zeigen laut Linienprofilen (Einsatz) eine Filmdicke von 114 ± 6,4 nm und 123 ± 2,0 nm (ca. 8 % Zunahme). Der Anstieg von Dicke und Rauheit könnte auf den Phasenübergang von amorphem zu kristallinem Zustand mit Nanokristallwachstum zurückzuführen sein.

UV-Vis-Absorptionsspektren der β-Ga₂O₃-Filme vor und nach dem Glühen (Abb. 1b): Beide Filme zeigen starke UV-Absorption im Bereich 190–300 nm und nahezu keine Absorption im sichtbaren Licht. Die Glühbehandlung hatte keinen signifikanten Einfluss auf die Absorptionskante, nur einen leichten Rotverschiebung von ~10 nm mit leichter Verstärkung des Absorptionsmaximums. Die optische Bandlücke (Eg) kann mit Gleichung (1) geschätzt werden:

$$ \alpha \left( h\nu \right)=A{\left( h\nu -E\mathrm{g}\right)}^{1/2} $$ (1)

wobei α der Absorptionskoeffizient, hν die Photonenenergie und A eine Konstante ist. Unter Berücksichtigung der per AFM gemessenen Filmdicken ergeben sich aus den Darstellungen in Abb. 1c Eg-Werte von 5,137 eV (as-deposited) und 5,135 eV (geglüht), nahe am theoretischen Eg von 4,9 eV für β-Ga₂O₃.

XPS-Spektren des β-Ga₂O₃-Films (Abb. 2): Abb. 2a–c und d–f zeigen Survey-Scan, Ga 3d und O 1s vor und nach dem Glühen. Der im Survey-Scan beobachtete C-Peak stammt von adventitivem Kohlenstoff. Nach dem Glühen war der C 1s-Peak deutlich reduziert, was auf Entfernung der meisten Kohlenstoffatome hindeutet. Die Bindungsenergie von Ga 3d beträgt 21,14 eV (vor) und 20,70 eV (nach), entspricht der Ga-O-Bindung; die Abnahme um 0,44 eV nach dem Glühen ist bemerkenswert. Die O 1s-Peaks wurden mit zwei Komponenten gefittet: Sauerstoffvacanzen (O_V) und Gitter-Sauerstoff (O_L). Die Flächenverhältnisse O_V:O_L vor und nach dem Glühen betrugen 0,47 bzw. 0,12, was auf eine Zunahme von Gitter-Sauerstoffatomen durch Kristallisation hinweist.

Ein UV-Photodetektor mit dem β-Ga₂O₃-Film wurde gefertigt. Ein einfacher vertikaler Aufbau (ITO/NiO/Ga₂O₃/Al) wurde entworfen (Schema Abb. 3a). Zuerst wurde eine NiO-Schicht auf ein gereinigtes ITO-beschichtetes Quarzsubstrat gesputtert (Details zu NiO-Film in Zusatzdatei 1: Abb. S1, S2). Dann wurde die Ga₂O₃-Schicht mit den obigen Parametern aufgesputtert. Der Heteroübergang wurde in Luft bei 600 °C für 30 min geglüht, um Schäden am ITO zu vermeiden (β-Ga₂O₃ bildet sich bereits über 550 °C), gefolgt von Dampfabscheidung von Al-Elektroden (2 × 2 mm²) auf der Ga₂O₃-Oberfläche. Al-Elektroden und ITO-Substrat dienten als obere und untere Elektroden.

Abbildung 3b zeigt das Energiebanddiagramm. Die Eg von NiO wurde nach Gleichung (1) (Zusatzdatei 1: Abb. S3) auf ~3,4 eV nach dem Glühen bestimmt. Die breiten Bandlücken von β-Ga₂O₃ (5,1 eV) und NiO (3,4 eV) sprechen auf UV-Licht an. Unter UV-Bestrahlung (hν) gewinnen Elektronen genug Energie, um in das Leitungsband zu springen und Elektron-Loch-Paare zu erzeugen. Diese werden durch das eingebaute elektrische Feld getrennt und von den jeweiligen Elektroden eingesammelt. Der Heteroübergang mit geeigneter Bandausrichtung erleichtert die Ladungstrennung und -sammlung.

Die Leistung des Heteroübergangs-Photodetektors wurde anhand gemessener J-V- und log J-V-Kurven untersucht (Rückseitenbestrahlung). Abb. 3c, d zeigen J-V- und log J-V-Kurven unter Bestrahlung mit verschiedenen Wellenlängen und im Dunkeln. Bei 245 nm UV-Licht (27 µW/cm²) stieg die Stromdichte bei 10 V angelegter Spannung drastisch auf 1,38 mA/cm² an. Auch bei 285 und 365 nm stieg die Stromdichte, doch 245 nm regt mehr Elektron-Loch-Paare effektiv an, was die Tief-UV-Detektion belegt.

Abb. 3e, f zeigen J-V- und log J-V-Kurven unter 245 nm UV mit variierender Leistungsdichte. Die Stromdichte steigt mit der Lichtintensität, was die Fähigkeit zur Photostromerzeugung bei 245 nm bestätigt.

Der Einfluss der Bias-Spannung auf die Responsivität (R) ist in Abb. 3g dargestellt. R hängt von der Photostromdichte (J_ph) ab gemäß Gleichung (2) [5]:

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

wobei P_opt = 1,5 mW/cm². Abb. 3g zeigt eine Zunahme von R mit steigender Bias-Spannung bei fester Photonenleistungsdichte. Die maximale R betrug 27,43 A/W bei 245 nm (27 µW/cm²) und 10 V Bias.

Die Detektivität (D*) ist ein weiterer wichtiger Parameter. Sie lässt sich nach Gleichung (3) berechnen [20, 21]:

$$ {D}^{\ast }=R/{\left(2q\left|{J}_{\mathrm{d}}\right|\right)}^{1/2} $$ (3)

wobei q = 1,602 × 10⁻¹⁹ C (Elementarladung) und J_d die Dunkelstromdichte ist. Abb. 3h zeigt den Anstieg von D* mit der Bias-Spannung. Das Maximum D* = 3,14 × 10¹² cm·Hz¹ᐟ²/W wurde bei 245 nm (27 µW/cm²) und −10 V Bias gemessen. Basierend auf R und D* zeigt der NiO/β-Ga₂O₃-Photodetektor hohe Leistung im UV-Bereich, verglichen mit anderen NiO- und Ga₂O₃-basierten UV-Detektoren (Tabelle 1).

Schlussfolgerungen

Zusammenfassend wurde ein β-Ga₂O₃-Film durch HF-Magnetronsputtern hergestellt und zeigte nach Glühen bei 800 °C gute Kristallinität. Das breitbandige Material wies starke UV-Absorption im Bereich 190–300 nm auf. Der Tief-UV-Photodetektor basierend auf der NiO/β-Ga₂O₃-Heterostruktur war hochsensitiv für 245 nm UV-Licht mit Responsivität (R) und Detektivität (D*) von bis zu 27,43 A/W und 3,14 × 10¹² cm·Hz¹ᐟ²/W. Es wird erwartet, dass die Leistung durch Dotierung oder Optimierung der Gerätestruktur weiter verbessert werden kann.

Verfügbarkeit von Daten und Materialien

Die in diesem Manuskript gezogenen Schlussfolgerungen basieren auf den im Haupttext und in den Abbildungen präsentierten Daten.

Abkürzungen

AFM:

Rasterkraftmikroskop

ITO:

Indium-Zinn-Oxid

TEM:

Transmissionelektronenmikroskop

UV:

Ultraviolett

XPS:

Röntgenphotoelektronenspektroskopie

XRD:

Röntgenbeugung