Высокопроизводительный фотодетектор глубокого ультрафиолета на основе гетероперехода NiO / β-Ga2O3

Фон

Разработка фотодетекторов ультрафиолетового (УФ) диапазона вызывает большой интерес в связи с их широким спектром приложений, таких как предупреждение о ракетах, биохимический анализ, обнаружение пламени и озона, а также оптическая связь. По сравнению с полупроводниками SiC и GaN УФ-фотодетекторы на основе металлооксидных полупроводников с широкой запрещенной зоной обладают многими преимуществами. Например, фотодетекторы на основе оксидов металлов нелегко окисляются и демонстрируют чувствительный отклик. Кроме того, они просты в эксплуатации и могут быть выполнены небольшими по размеру [1, 2]. Следовательно, оксиды металлов с широкой запрещенной зоной и устройства на их основе в последние годы привлекли большое внимание исследователей. На сегодняшний день оксиды металлов, такие как ZnO [3,4,5], TiO ₂ [6, 7], SnO ₂ [8], NiO [9] и Ga ₂ О ₃ [10, 11] изучались для использования в качестве высокопроизводительных УФ-фотоприемников. Среди них стабильная фаза Ga ₂ О ₃ (β-Ga ₂ О ₃ ) становится предпочтительным материалом для УФ-фотодетекторов, поскольку это полупроводник с прямой запрещенной зоной со сверхширокой запрещенной зоной ~ 4,9 эВ, который эффективно реагирует на УФ-полосу. Дополнительным преимуществом является легкий процесс роста материала.

Несколько групп пытались улучшить характеристики УФ-фотодетекторов, разработав устройства с гетеропереходом, состоящие из двух различных полупроводников на основе оксидов металлов. Например, Zhao et al. сообщил об исследованиях ZnO-Ga ₂ О ₃ УФ-фотодетекторы с гетероструктурой ядро-оболочка, которые продемонстрировали сверхвысокую чувствительность и обнаруживающую способность за счет эффекта лавинного умножения [12, 13]. В этой работе гетеропереход другого оксида металла, например NiO / β-Ga ₂ О ₃ , был исследован для создания высокопроизводительного УФ-фотодетектора. Во-первых, рассогласование решеток β-Ga ₂ О ₃ и NiO относительно невелик. Кроме того, ширина запрещенной зоны у NiO больше, чем у ZnO, использованного в предыдущем исследовании. Поведение NiO p-типа и β-Ga n-типа ₂ О ₃ привело к появлению нескольких отчетов об исследованиях электрических свойств NiO / β-Ga ₂ О ₃ гетеропереход для приложений силовой электроники [14]; однако имеется ограниченное сообщение об использовании гетероперехода в фотоприемнике. В этом исследовании NiO / β-Ga ₂ О ₃ Фотоприемник на основе УФ-излучения был изготовлен методом магнетронного распыления на прозрачную подложку из оксида индия и олова (ITO). Результаты показали, что NiO / β-Ga ₂ О ₃ фотодетектор показал отличную чувствительность к УФ-свету (245 нм) с хорошей стабильностью.

Методы

Ga ₂ О ₃ и керамические мишени NiO (99,99%) были приобретены у Zhongnuo Advanced Material (Beijing) Technology Co. Ltd. Сапфировая подложка с плоскостью (0001) была приобретена у Beijing Physike Technology Co. Ltd. Кварцевая подложка с покрытием ITO была приобретена у Beijing Jinji Aomeng Technology Co. Ltd. Все химические реагенты, использованные в экспериментах, использовали без дополнительной очистки.

β-Ga ₂ О ₃ Пленка была приготовлена ​​методом высокочастотного магнетронного распыления при комнатной температуре. Для характеризации пленка наносилась на сапфировую подложку плоскостью (0001). Перед нанесением подложка подвергалась влажной очистке в смешанном растворе аммиачной воды, пероксида водорода и деионизированной воды (1:1:3) при 80 ° C в течение 30 мин. Его неоднократно промывали деионизированной водой и сушили с использованием азота для удаления поверхностного загрязнения, что улучшило бы однородность и адгезию пленки к субстрату. Распыление проводили при давлении 0,7 Па с потоком кислорода и аргона со скоростью 5 и 95 см3 соответственно. При осаждении пленки использовалась мощность распыления 200 Вт в течение 60 мин. Наконец, осажденная пленка была отожжена на воздухе при 800 ° C (60 мин) и скорости нагрева 10 ° C / мин.

Кристаллическая структура Ga ₂ О ₃ Пленку исследовали с помощью рентгеновской дифракции (XRD, EMPYREAN) и просвечивающего электронного микроскопа (TEM, JEM-2100). Спектры поглощения Ga ₂ О ₃ пленка на сапфировой подложке были измерены с помощью УФ-видимой спектроскопии (iHR-320), которая также предоставила оценку оптической ширины запрещенной зоны пленки. Морфология поверхности и толщина осажденного Ga ₂ О ₃ пленку характеризовали с помощью атомно-силового микроскопа (AFM, SPA-400) и оптического микроскопа (LEICA DM 2700 M). Элементный анализ Ga ₂ О ₃ пленка была выполнена методом рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (XPS, K-Alpha +). Ток-напряжение ( Дж - V ) измерения на NiO / β-Ga ₂ О ₃ Фотоприемник выполнен с помощью измерителя источника Keithley 2400. Все измерения проводились при комнатной температуре.

Результаты и обсуждение

На рисунке 1а показаны дифрактограммы Ga ₂ . О ₃ пленка, выращенная на плоскости (0001) сапфировой подложки до и после отжига. Перед отжигом осажденная пленка находилась в аморфном состоянии, так как на шаблоне наблюдались только два пика (отмеченные как «*»), связанные с подложкой. После отжига пленки при 800 ° C рентгенограмма показала шесть характерных пиков, соответствующих кристаллическим плоскостям β-фазы Ga ₂ О ₃ , который принадлежит к моноклинной кристаллической системе. Наблюдаемая картина согласуется с ранее опубликованными работами [15, 16]. Эти характерные пики отожженного β-Ga ₂ О ₃ пленка показала хорошую кристалличность с преимущественной ориентацией по семейству кристаллических плоскостей (\ (\ overline {2} \) 01).

а Рентгенограммы β-Ga ₂ О ₃ пленка, нанесенная на плоскость сапфировой подложки (0001), а вершины сапфировой подложки отмечены звездочками (*). б Спектры поглощения в УФ и видимой областях β-Ga ₂ О ₃ фильм. c Графики [α ( hν )] ² против энергии фотона. г – д Изображения β-Ga ₂ с помощью ПЭМ и ВРТЭМ О ₃ пленка после отжига. е АСМ изображения β-Ga ₂ О ₃ фильм. г – ч Оптические и АСМ изображения на границе ступени между пленкой и подложкой

На рисунках 1d и e представлены изображения β-Ga ₂ с помощью ПЭМ и ВРТЭМ. О ₃ пленка после отжига. Как показано, шаг решетки кристаллических плоскостей (\ (\ overline {2} \) 01), (400) и (\ (\ overline {2} \) 02) составлял 4,69 Å, 2,97 Å и 2,83 Å. соответственно, что снова свидетельствует о хорошей кристалличности и хорошо согласуется с ранее опубликованными работами [17, 18].

АСМ изображение β-Ga ₂ О ₃ Пленка, нанесенная на сапфировую подложку, показана на рис. 1е. Пленка после осаждения демонстрировала однородный гранулированный рельеф поверхности с относительно небольшой среднеквадратичной (RMS) шероховатостью поверхности 1,36 нм. После отжига среднеквадратичная шероховатость пленки увеличилась до 1,68 нм. О таком увеличении среднеквадратичной шероховатости после отжига также сообщили Hao et al [19]. Не исключено, что обработка отжигом может привести к дефектам структуры поверхности. Необходимы дальнейшие исследования, чтобы понять причину изменения морфологии поверхности после отжига. АСМ-изображения топографии края ступеньки между пленкой и подложкой до и после отжига показаны на рис. 1 g и h, профили линий которых (на вставке) показывают толщину пленки 114 ± 6,4 нм и 123 ± 2,0 нм ( около 8%) соответственно. Увеличение толщины пленки и RMS после отжига может быть связано с тем, что фазовый переход от аморфного состояния к кристалличности приводит к росту зерен нанокристаллов.

Спектры поглощения в УФ и видимой областях β-Ga ₂ О ₃ пленки до и после отжига показаны на рис. 1б. Обе пленки демонстрировали сильное УФ-поглощение в диапазоне 190–300 нм и почти полное отсутствие поглощения в видимой полосе света. Это показало, что обработка отжигом не оказала существенного влияния на край поглощения. Это привело только к небольшому красному смещению около 10 нм с небольшим усилением пика поглощения. Уравнение (1) можно использовать для оценки оптической запрещенной энергии ( E г) фильма.

где α коэффициент поглощения, hν - энергия фотона, а A является константой. Принимая во внимание толщину пленки, измеренную с помощью АСМ, E g для осажденных и отожженных пленок можно определить по графикам на рис. 1c, которые показывают значения 5,137 эВ и 5,135 эВ, соответственно. Эти значения близки к теоретическому E g 4,9 эВ для β-Ga ₂ О ₃ .

XPS-спектры β-Ga ₂ О ₃ пленки показаны на рис. 2. На рис. 2a – c и d – f показаны XPS-спектры полного сканирования, элементов Ga и O до и после отжига, соответственно. Элемент C, наблюдаемый при полном сканировании, был добавочным углеродом. После отжига пик C 1 s значительно уменьшился, указывая на то, что большая часть углерода была удалена во время обработки отжигом. Энергия связи Ga3d на рис. 2b и e соответствует 21,14 эВ и 20,70 эВ, соответственно, что соответствует связи Ga-O в образцах, а энергия связи после отжига снижается на 0,44 эВ. Пики O 1 s соответствовали двум компонентам, связанным с кислородными вакансиями (O _V ) и решеточный кислород (O _L ). Соотношение площадей O _V и O _L (например, S _OV :S _OL) до и после отжига составляли 0,47 и 0,12 соответственно. Это свидетельствует об увеличении количества атомов кислорода в решетке из-за обработки отжигом, приводящей к кристаллизации, когда атомы кислорода перемещаются в свои соответствующие узлы решетки.

XPS-спектры β-Ga ₂ О ₃ фильм. Обзорное сканирование, пики уровней ядра Ga 3d и O1s, полученные до отжига, показаны на a – c . и после отжига показаны на d – f соответственно

УФ-фотоприемник, состоящий из β-Ga ₂ О ₃ фильм был изготовлен. Для фотоприемника была разработана простая вертикальная структура, состоящая из ITO / NiO / Ga ₂ О ₃ / Ал. Принципиальная схема конструкции устройства представлена ​​на рис. 3а. Слой NiO был сначала напылен на кварцевую подложку, покрытую ITO, после применения тех же процедур влажной очистки, что и сапфировая подложка, а подробная подготовка и характеристики пленки NiO показаны в Дополнительном файле 1:Рисунок S1 и Рисунок S2. Ga ₂ О ₃ Затем слой напыляли с использованием указанных выше параметров осаждения. Подготовленный гетеропереход отжигали на воздухе при 600 ° C в течение 30 мин, чтобы избежать теплового повреждения ITO (при этом известно, что β-Ga ₂ О ₃ может быть сформирован при температуре отжига выше 550 ° C) с последующим осаждением из паровой фазы алюминиевых электродов (2 × 2 мм ² ) на поверхности Ga ₂ О ₃ фильм. Наконец, алюминиевые электроды и подложка ITO использовались в качестве верхнего и нижнего электродов соответственно.

а Принципиальная схема, показывающая структуру устройства, состоящего из ITO / NiO / β-Ga ₂ О ₃ / Ал. б Зонная диаграмма фотоприемника. c – d Измерено J-V и войдите в J-V кривые фотоприемника соответственно при освещении светом с разной длиной волны и в темноте. е – е Измерено J-V и войдите в J-V кривые фотоприемника при УФ-освещении 245 нм с разной плотностью мощности соответственно. г – ч Отзывчивость ( R ) и обнаруживаемость ( D *) соответственно фотоприемника при разных напряжениях смещения при освещении 245 нм

На рис. 3б показана зонная диаграмма фотоприемника. Мы рассчитали E г пленки NiO согласно формуле. (1) как показано в Дополнительном файле 1:Рисунок S3. E г пленки NiO составляет около 3,4 эВ после отжига. Широкая запрещенная зона β-Ga ₂ О ₃ Слои (5,1 эВ) и NiO (3,4 эВ) чувствительны к УФ-излучению. При УФ-освещении ( hν ) электроны набирают достаточно энергии для перехода в зону проводимости, генерируя электронно-дырочные пары. Эти фотогенерированные электронно-дырочные пары были разделены встроенным электрическим полем и собраны соответствующими электродами. Здесь гетероструктура с соответствующим выравниванием полос может облегчить разделение и сбор зарядов.

Работоспособность фотоприемника на гетеропереходе исследовалась по измеренным значениям J - V и log J - V сюжеты, снятые с устройства подсветки инцидентов. Рисунки 3 c и d иллюстрируют J - V и log J - V кривые фотоприемника при освещении светом с разной длиной волны и в темноте соответственно. Когда фотоприемник освещался УФ-светом с длиной волны 245 нм и мощностью 27 мкВт / см ⁻² , резкое увеличение плотности тока, до 1,38 мА · см ⁻² Наблюдалась при приложенном напряжении 10 В. Плотность тока также увеличивается при освещении УФ-светом с длиной волны 285 и 365 нм. Однако большее количество электронно-дырочных пар может быть эффективно возбуждено УФ-светом с длиной волны 245 нм по сравнению с двумя другими УФ-светами, что свидетельствует о глубоком УФ-обнаружении устройства.

Дж - V и log J - V Кривые фотодетектора были измерены при УФ-освещении 245 нм с изменяющейся плотностью мощности, как показано на рис. 3e и f соответственно. Измерения проводились в темноте и в условиях УФ-света. Плотность тока увеличивается с интенсивностью света при УФ-освещении 245 нм, что предполагает, что фотодетектор обладает способностью генерировать фототок в ответ на УФ-излучение 245 нм.

Влияние напряжения смещения на чувствительность ( R ) устройства показано на рис. 3ж. R связана с плотностью фототока ( J _ph ) согласно формуле. (2) [5]:

где P _opt - плотность мощности фотонов, имеющая значение 1,5 мВт / см ⁻² . Увеличение R было видно из рис. 3g, когда напряжение смещения устройства увеличивается при фиксированной плотности мощности фотонов. Максимальный R было 27,43 AW ⁻¹ измерено при освещении 245 нм (27 мкВт / см ⁻² ) при напряжении смещения 10 В.

Обнаружение ( D *) - еще один важный параметр для оценки работы фотоприемников. Д * фотоприемника можно рассчитать по формуле. (3) следующим образом [20, 21]:

где q - абсолютный заряд электрона (1.602 × 10 ⁻¹⁹ C) и J _d - плотность темнового тока. Отношения между D * и напряжение смещения показано на рис. 3h, который показывает увеличение D * по мере увеличения напряжения смещения. Максимальный D * было 3,14 × 10 ¹² смГц ^1/2 W ^-1 измерено при освещении 245 нм (27 мкВт / см ⁻² ) при напряжении смещения - 10 В. Исходя из значений R и D *, NiO / β-Ga ₂ О ₃ фотодетектор продемонстрировал высокую производительность при обнаружении УФ-излучения по сравнению с другими на основе NiO и Ga ₂ О ₃ УФ-детекторы показаны в Таблице 1.

Выводы

В заключение, β-Ga ₂ О ₃ Пленка была приготовлена ​​методом высокочастотного магнетронного распыления и показала хорошую кристалличность после отжига при 800 ° C. Материал с широкой запрещенной зоной показал сильное УФ-поглощение в диапазоне 190–300 нм. Фотоприемник глубокого УФ-излучения на основе NiO / β-Ga ₂ О ₃ гетероструктура была высокочувствительной к УФ-свету 245 нм с высокой чувствительностью ( R ) и обнаруживаемость ( D *) до 27,43 AW ⁻¹ и 3,14 × 10 ¹² смГц ^1/2 W ^-1 , соответственно. Считается, что характеристики УФ-фотодетектора могут быть дополнительно улучшены за счет легирования или оптимизации конструкции устройства.

Доступность данных и материалов

Выводы, сделанные в этой рукописи, основаны на данных (основной текст и рисунки), представленных и показанных в этой статье.

Сокращения

AFM:

Атомно-силовой микроскоп

ITO:

Оксид индия и олова

ТЕМ:

Просвечивающий электронный микроскоп

UV:

Ультрафиолет

XPS:

Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия

XRD:

Рентгеновская дифракция