Исследование энергетической зоны гетеропереходов ZnO / β-Ga2O3 (\ (\ overline {2} 01 \)), осажденных атомным слоем

Введение

Оксид галлия (Ga ₂ О ₃ ) широко исследовался как многообещающий полупроводниковый материал со сверхширокой запрещенной зоной для устройств силовой электроники следующего поколения благодаря своим уникальным свойствам [1]. Среди различных полиморфов (α, β, γ, δ и ε) моноклинный β-Ga ₂ О ₃ обладает наибольшей термической стабильностью [2]. Кроме того, β-Ga ₂ О ₃ имеет ширину запрещенной зоны при комнатной температуре 4,5 ~ 4,9 эВ и отличную химическую стабильность [3]. В частности, β-Ga ₂ О ₃ имеет высокую объемную подвижность электронов ∼100 см ² / В · с, гораздо более высокое поле пробоя 8 МВ / см, чем у SiC (3,18 МВ / см) или GaN (3 МВ / см) [4], а концентрацию носителей можно легко модулировать легированием Sn и Si [ 5, 6]. Следовательно, β-Ga ₂ О ₃ на базе устройств, включая солнечные слепые фотодетекторы [7] и полевые транзисторы металл-оксид-полупроводник (MOSFET) [8]. Однако ограничения все еще существуют в β-Ga ₂ О ₃ устройства на основе, такие как плохой омический контакт между металлом и β-Ga ₂ О ₃ [9]. В последний год, вставка промежуточного слоя металл-оксид-полупроводник с высокой концентрацией электронов, то есть промежуточного полупроводникового слоя (ППС) между металлом и Ga ₂ О ₃ , было показано, что это эффективное разрешение, поскольку модуляция энергетического барьера на границе раздела [10,11,12].

Оксид цинка (ZnO) привлек большое внимание, потому что он имеет большую энергию связи экситона 60 мэВ и высокую концентрацию электронов> 10 ¹⁹ см ⁻³ , и сильная энергия когезии 1,89 эВ. [13, 14] Кроме того, рассогласование решеток между ZnO и Ga ₂ О ₃ находится в пределах 5% [15]. Для получения пленки ZnO были разработаны различные методы осаждения, включая гидротермальный метод [16, 17] и химическое осаждение из газовой фазы (CVD). [18] Однако гидротермальный метод требует сложного процесса, скорость роста довольно низкая, а CVD обычно требует достаточно высокой температуры роста выше 900 ° C. Эти недостатки затрудняют применение в устройствах. В последнее время осаждение атомного слоя (ALD) стало многообещающим методом, который демонстрирует превосходное покрытие ступеней, управляемость толщины атомарного масштаба, хорошую однородность и относительно низкую температуру осаждения. Следовательно, осажденный атомным слоем ZnO на широкозонных полупроводниках может уменьшить беспорядок интерфейса и дать более контролируемый образец для изучения выравнивания энергетических зон, которое играет важную роль в процессе переноса носителей [19]. До сих пор выравнивание полосы между Ga ₂ О ₃ а осажденный атомным слоем ZnO не исследовался экспериментально, хотя есть некоторые сообщения о теоретическом выравнивании зон ZnO и Ga ₂ О ₃ . [20] Таким образом, понимание выравнивания энергетических зон ZnO / β-Ga ₂ , осажденных атомным слоем О ₃ гетеропереход очень желателен для проектирования и физического анализа соответствующих устройств в будущем. В этой работе выравнивание энергетических зон ZnO, осажденного атомным слоем на β-Ga ₂ О ₃ был охарактеризован методом рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (XPS). Кроме того, было рассмотрено влияние температуры роста ZnO на выравнивание полос.

Методы

β-Ga ₂ О ₃ (\ (\ overline {2} 01 \)) подложки с концентрацией легирования Sn ~ 3 × 10 ¹⁸ / см ³ были нарезаны на мелкие кусочки размером 6 × 6 мм ² . Нарезанные кубиками образцы поочередно очищали в ацетоне, изопропаноле с помощью ультразвуковой очистки каждые 10 мин, затем промывали деионизированной водой для удаления остаточных органических растворителей. После этого Ga ₂ О ₃ субстраты переносили в реактор ALD (Wuxi MNT Micro Nanotech co., LTD, Китай). Скорость роста пленок ZnO составляла ~ 1,6 Å / цикл. Пленки ZnO размером 40 и 5 нм были выращены на очищенном β-Ga ₂ О ₃ с использованием Zn (C ₂ H ₅ ) ₂ (DEZ) и H ₂ O при каждой температуре 150, 200 и 250 ° C соответственно. Толщина полученных пленок ZnO измерялась эллипсометром (Sopra GES-5E). ZnO (40 нм) / β-Ga ₂ О ₃ использовался как объемный стандарт, а ZnO (5 нм) / β-Ga ₂ О ₃ был использован для определения выравнивания полос, в то время как чистый объемный β-Ga ₂ О ₃ использовался как контрольный образец. Измерения XPS (AXIS Ultra DLD, Shimadzu) с шагом 0,05 эВ были выполнены для измерения максимума валентной полосы (VBM), Ga 2p и Zn 2p спектров. Чтобы избежать интерференции окисления и загрязнения поверхности, все образцы были протравлены ионами Ar в течение 3 мин при напряжении 2 кВ перед измерением XPS. Обратите внимание, что все спектры XPS были откалиброваны по пику C 1s при 284,8 эВ для компенсации эффекта зарядки. Чтобы определить ширину запрещенной зоны, оптические спектры пропускания Ga ₂ О ₃ и ZnO были измерены с помощью спектроскопии в ультрафиолетовой и видимой областях (UV-VIS) (Lambda 750, PerkinElmer, США).

Результаты и обсуждение

На рисунке 1 показано изменение (α hv ) ^{1 / n} как функция энергии фотона для объемного β-Ga ₂ О ₃ и свежевыращенная пленка ZnO, осажденная при 200 ° C. Оптическая ширина запрещенной зоны ( E _г ) пленки ZnO и β-Ga ₂ О ₃ может быть определено соотношением Таука [21]:(α hv ) ^{1 / n} = А ( hv - E _г ), где α - коэффициент поглощения, A - постоянная, hv энергия падающего фотона, E _г - ширина запрещенной зоны оптической энергии, n составляет 1/2 для прямой запрещенной зоны и 2 для непрямой запрещенной зоны. Здесь и ZnO, и β-Ga ₂ О ₃ имеют типичную прямую запрещенную зону, которая делает значение n составляет 1/2. Впоследствии E _г может быть извлечен путем экстраполяции участка прямой линии на смещение энергии при α =0. Следовательно, извлеченное значение E _г ZnO и β-Ga ₂ О ₃ равны 3,20 эВ и 4,65 эВ соответственно, что хорошо согласуется с опубликованными. [22, 23]

Сюжет (α hv ) ² по сравнению с hv для а Пленка ZnO, выращенная на кварцевом стекле b β-Ga ₂ О ₃ субстрат. На вставке показаны спектры оптического пропускания ZnO и β-Ga ₂ . О ₃ соответственно

Смещение валентной полосы (VBO) может быть определено методом Краута по следующей формуле [24]

где \ ({E} _ {Ga \ 2p} ^ {Ga_2 {O} _3} - {E} _ {VBM} ^ {Ga_2 {O} _3} \) \ (\ Big ({E} _ {Zn \ 2p} ^ {Zn O} - {E} _ {VBM} ^ {Zn O} \)) представляет собой разность энергий между базовым уровнем (CL) Ga 2p (Zn 2p) и VBM объемного β-Ga ₂ О ₃ (ZnO), а \ ({E} _ {Ga \ 2p} ^ {Ga_2 {O} _3} - {E} _ {Zn \ 2p} ^ {Zn O} \) обозначает разность энергий между Ga 2p и Уровни ядра Zn 2p. На рисунке 2 показаны все спектры ХЛ, включая Zn 2p ZnO (40 нм) / β-Ga ₂ . О ₃ и ZnO (5 нм) / β-Ga ₂ О ₃ , Ga 2p объемного Ga ₂ О ₃ и ZnO (5 нм) / β-Ga ₂ О ₃ , а также спектры валентной зоны объемного Ga ₂ О ₃ и ZnO (40 нм) / β-Ga ₂ О ₃ . На рис. 2а представлены спектры ХЛ Zn 2p на ZnO (40 нм) / β-Ga ₂ О ₃ , который является достаточно симметричным, что указывает на однородное состояние связи, а пик при 1021,09 эВ соответствует связи Zn-O [25]. VBM можно определить с помощью метода линейной экстраполяции [26]. VBM ZnO находится при 2,11 эВ. На рис. 2b пик, расположенный при 1117,78 эВ, соответствует связи Ga-O [27] и VBM Ga ₂ О ₃ вычислено равным 2,74 эВ в соответствии с вышеупомянутым методом. КЛ Zn 2p и Ga 2p в ZnO (5 нм) / β-Ga ₂ О ₃ показаны на рис. 2в. Согласно формуле. (1), VBO на границе раздела ZnO / Ga ₂ О ₃ составляет 0,06 эВ.

XPS-спектры высокого разрешения для основного уровня и максимума валентной полосы (VBM) a Спектр основного уровня Zn 2p и VBM от 40 нм ZnO / β-Ga ₂ О ₃ , b Спектр основного уровня Ga 2p и VBM от чистого β-Ga ₂ О ₃ , и c спектры остовного уровня Ga 2p и Zn 2p, полученные из спектров XPS высокого разрешения 5 нм ZnO / β-Ga ₂ О ₃

На основе рассчитанного E _г и ∆E _V , смещение зоны проводимости (CBO) при ZnO / Ga ₂ О ₃ интерфейс можно легко вывести из следующего уравнения:

где \ ({E} _g ^ {Ga_2 {O} _3} \) и \ ({E} _g ^ {ZnO} \) - ширина запрещенной зоны β-Ga ₂ О ₃ и ZnO соответственно. Подробная диаграмма энергетических зон ZnO / β-Ga ₂ О ₃ изображен на рис. 3. Интерфейс имеет выравнивание зоны типа I, где края зоны проводимости и валентной зоны ZnO расположены в запрещенной зоне β-Ga ₂ О ₃ .

Схематическая диаграмма выравнивания полос ZnO (200 ° C) / β-Ga ₂ О ₃ гетеропереход

Для дальнейшего изучения влияния температуры роста на выравнивание полос между ZnO и β-Ga ₂ О ₃ , пленки ZnO также выращиваются при 150 и 250 ° C. Отметим, что пленки ZnO, полученные методом ALD при температурах 150–250 ° C, имеют поликристаллическую природу. На рис. 4 представлены рентгеновские фотоэлектронные спектры O 1s высокого разрешения пленок ZnO, выращенных при различных температурах. Каждый спектр O 1s может быть хорошо разделен на три компонента с помощью функции Гаусса-Лоренца. Пики с центрами при 530.0 (O1), 531.6 (O2) и 532.4 (O3) эВ соответствуют полосам Zn-O, кислородным вакансиям и группе –OH [28, 29] соответственно. Относительное процентное содержание различных компонентов также рассчитывается в соответствии с площадью пика, представленной на фиг. 4. Он показывает, что относительное содержание кислородных вакансий увеличивается с 10,7 до 15,0% из-за разложения предшественников и увеличения количества внедрений Zn. Однако содержание -OH-аналог снижается с 5,1 до 1,9% из-за более полных реакций между предшественниками DEZ и поверхностными -OH-группами в этом диапазоне температур [30].

XPS-спектры высокого разрешения пленок ZnO, выращенных при a , с высоким разрешением 150 ° С, b 200 ° C и c 250 ° С соответственно

На рисунке 5 показаны смещения зон ZnO / β-Ga ₂ . О ₃ гетеропереходы как функция температуры роста. CBO увеличивается от 1,26 до 1,47 эВ при изменении температуры роста от 150 до 250 ° C. Дефекты собственных доноров включают антипозицию Zn, кислородные вакансии и межузельные частицы Zn. Однако энергия образования атомов антипозиции настолько высока, что ее концентрация крайне мала. Межузельные частицы Zn имеют большее влияние на минимум зоны проводимости (CBM), чем на кислородную вакансию, поскольку в CBM в основном доминирует 4s-орбита атома Zn. [31] В результате увеличение CBO на 0,21 эВ могло быть в основном связано с межузельными атомами цинка. С другой стороны, VBO уменьшается с 0,20 до 0,01 эВ при повышении температуры роста от 150 до 250 ° C. К естественным акцепторным дефектам относятся антипозиция O, вакансии Zn и межузельные атомы кислорода [32], энергии образования которых велики, а их количество может быть даже незначительным. Кроме того, наиболее естественные акцепторные уровни находятся глубоко в запрещенной зоне ZnO, поэтому они мало влияют на VBM [33]. Однако V _zn + OH благоприятен для присутствия в сочетании с низкой энергией образования, [34] V _zn + ОН может встречаться с электроном, принадлежащим ОН-связям. Решеточный водород H ⁺ ион действует как компенсирующий центр и может связываться с V _Zn вокруг ядра дислокации и дефекта упаковки, обеспечивая комплексный дефект акцепторного типа для проводимости p-типа [35]. Больше остаточных групп –OH в пленке ZnO получается при более низкой температуре роста, т.е. 150 ° C [36]. Уровень акцептора около VBM уменьшается с температурой, что приводит к эффективному смещению вниз E _V ZnO, поэтому ∆E _V становится ниже. Следовательно, ZnO, нанесенный при более низкой температуре, мог бы более эффективно уменьшить высоту барьера на границе раздела между металлом и Ga ₂ О ₃ .

Смещение зоны проводимости и валентной зоны ZnO / β-Ga, осажденного атомным слоем ₂ О ₃ гетеропереходы, изготовленные при разных температурах

Выводы

Таким образом, выравнивание энергетических зон на осажденном атомном слое ZnO / β-Ga ₂ О ₃ (\ (\ overline {2} 01 \)) был охарактеризован XPS. Выравнивание полос типа I, сформированное в ZnO / β-Ga ₂ О ₃ интерфейс. Смещение зоны проводимости увеличилось с 1,26 до 1,47 эВ, в то время как смещение валентной зоны уменьшилось с 0,20 до 0,01 эВ при повышении температуры от 150 до 250 ° C. Эти наблюдения показывают, что ZnO, осажденный при более низкой температуре, является перспективным ISL для уменьшения высоты электронного барьера на ZnO / β-Ga ₂ О ₃ интерфейс.

Сокращения

ALD:

Осаждение атомного слоя

CBM:

Минимальная зона проводимости

CBO:

Смещение зоны проводимости.

CVD:

Химическое осаждение из паровой фазы

DEZ:

Zn (C ₂ H ₅ ) ₂

Ga ₂ О ₃ :

Оксид галлия

GaN:

Нитрид галлия

ISL:

Промежуточный полупроводниковый слой

МОП-транзисторы:

Полевые транзисторы металл-оксид-полупроводник

OH:

Гидроксил

SiC:

Карбид кремния

UV-VIS:

Ультрафиолетовая и видимая спектроскопия

VBM:

Максимальный диапазон валентности

VBO:

Смещение полосы валентности

XPS:

Рентгеновская спектроскопия

ZnO:

Оксид цинка