Выравнивание энергетических зон в гетероструктурах ZnO/β-Ga₂O₃ (over 2 01), полученных АЛД, раскрытое XPS

Аннотация

Исследовано выравнивание зон в гетероструктурах ZnO/β-Ga₂O₃ (over 2 01) методом рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (XPS). Пленки ZnO, полученные атомно-слойным осаждением (АЛД), наращивали при 150 °C, 200 °C и 250 °C. Все интерфейсы демонстрируют тип-I выравнивание. Смещение зоны проводимости (CBO) растет от 1,26 эВ до 1,47 эВ с повышением температуры роста, тогда как смещение валентной зоны (VBO) снижается от 0,20 эВ до 0,01 эВ. Рост CBO приписываютцинковым интерстициям, а снижение VBO — акцепторному комплексу V_Zn + OH. Эти данные дают количественную базу для проектирования ZnO/β-Ga₂O₃ гетероструктур в высоковольтной электронике.

Введение

Оксид галлия (Ga₂O₃) выступает ведущим сверхширокозонным (UWBG) полупроводником для энергетики нового поколения благодаря запрещенной зоне 4,5–4,9 эВ, исключительной термической стабильности и полю пробоя 8 МВ/см, превосходящему SiC и GaN. Среди полиморфов моноклинный β-Ga₂O₃ обеспечивает высшую термостойкость и объемную подвижность электронов ≈100 см²/В·с, привлекая для солнцеслепых фотодетекторов и MOSFET. Однако достижение низкоомных омических контактов остается проблемой, и введение промежуточного полупроводникового слоя (ISL) с высокой электронной концентрацией эффективно снижает интерфейсные барьеры. Оксид цинка (ZnO) — убедительный кандидат ISL: запрещенная зона 3,3 эВ, высокая экситонная энергия связи (60 мэВ) и электронная концентрация >10¹⁹ см⁻³. Решеточное несоответствие с β-Ga₂O₃ ниже 5 %, уменьшая деформацию. Традиционные методы осаждения — гидротермальный и CVD — либо медленные, либо требуют >900 °C, ограничивая интеграцию. Атомно-слойное осаждение (АЛД) дает субнанометровый контроль толщины, отличное покрытие ступенек и низкие температуры, идеально для качественных ZnO пленок на β-Ga₂O₃. Несмотря на теоретические предсказания зонных смещений ZnO/β-Ga₂O₃, экспериментальное определение отсутствовало. Это исследование заполняет пробел, измеряя выравнивание зон АЛД-ZnO на β-Ga₂O₃ и изучая температурную зависимость смещений.

Методы

Sn-легированные β-Ga₂O₃ (over 2 01) подложки (≈3 × 10¹⁸ см⁻³) раскроили на 6 × 6 мм². Последовательно очищали в ацетоне и изопропаноле (10 мин каждая, ультразвук), затем промывали дионизированной водой. Подложки загружали в АЛД-реактор Wuxi MNT Micro-Nanotech. ZnO пленки (5 нм и 40 нм) наращивали при 150 °C, 200 °C и 250 °C предшественниками Zn(C₂H₅)₂ (DEZ) и H₂O. Скорость роста ~1,6 Å/цикл. Толщины верифицировали эллипсометром Sopra GES-5E. 40-нм ZnO/β-Ga₂O₃ служил объемным стандартом, 5-нм — для определения смещений; голый β-Ga₂O₃ — контроль. XPS (AXIS Ultra DLD, Shimadzu) с шагом 0,05 эВ после 3-мин Ar-ионной травки 2 кВ для удаления поверхностного загрязнения. Все спектры откалиброваны на C 1s пик 284,8 эВ. Валентные максимумы (VBM) извлекали линейной экстраполяцией переднего края. UV-Vis пропускание (Lambda 750, PerkinElmer) для определения оптических запрещенных зон через анализ Тauc.

Результаты и обсуждение

Рис. 1 показывает графики Тauc (αhv)¹/² от энергии фотона для объемного β-Ga₂O₃ и ZnO при 200 °C. Извлеченные оптические запрещенные зоны: 4,65 эВ для β-Ga₂O₃ и 3,20 эВ для ZnO, согласуясь с литературой. VBO рассчитан методом Kraut:

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

Ядерные спектры (рис. 2) показывают симметричные пики Zn 2p и Ga 2p, подтверждая равномерную связь. Zn 2p пик при 1021,09 эВ и Ga 2p при 1117,78 эВ соответствуют Zn–O и Ga–O связям. VBM значения 2,11 эВ (ZnO) и 2,74 эВ (β-Ga₂O₃) получены линейной экстраполяцией. Применение уравн. (1) дает VBO 0,06 эВ.

CBO следует из:

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

Полученная зонная диаграмма (рис. 3) подтверждает тип-I выравнивание, с зонами проводимости и валентности ZnO полностью вложенными в запрещенную зону β-Ga₂O₃.

Для оценки температурных эффектов ZnO также наращивали при 150 °C и 250 °C. Высокоразрешающие O 1s спектры (рис. 4) деконволютированы на Zn–O, кислородные вакансии и –OH компоненты. Доля кислородных вакансий росла с 10,7 % до 15,0 % при повышении температуры, а –OH падал с 5,1 % до 1,9 %. Тренды отражают усиленное разложение предшественников и более полные поверхностные реакции при высоких температурах.

Рис. 5 суммирует температурную зависимость смещений. CBO растет от 1,26 эВ до 1,47 эВ, в основном из-за увеличения цинковых интерстиций, сдвигающих минимум зоны проводимости (CBM). И наоборот, VBO падает от 0,20 эВ до 0,01 эВ с ростом температуры, обусловленное угасанием влияния акцепторного комплекса V_Zn + OH, более превалирующего при низких температурах. Таким образом, низкотемпературное осаждение ZnO выгодно как ISL для снижения электронного барьера в β-Ga₂O₃-основанных силовых устройствах.

Заключение

АЛД-ZnO на β-Ga₂O₃ (over 2 01) демонстрирует четкое тип-I зонное выравнивание. При повышении температуры роста ZnO с 150 °C до 250 °C CBO растет от 1,26 эВ до 1,47 эВ, а VBO снижается от 0,20 эВ до 0,01 эВ. Тренды управляются температурно-зависимой дефектной химией — цинковые интерстиции повышают CBO, тогда как комплекс V_Zn + OH понижает VBO. Низкотемпературное осаждение ZnO поэтому преимущественно как промежуточный полупроводниковый слой для снижения барьеров электронов в β-Ga₂O₃-силовых устройствах.

Аббревиатуры

ALD

Атомно-слойное осаждение

CBM

Минимум зоны проводимости

CBO

Смещение зоны проводимости

CVD

Химическое осаждение из газовой фазы

DEZ

Zn(C₂H₅)₂

Ga₂O₃

Оксид галлия

GaN

Нитрид галлия

ISL

Промежуточный полупроводниковый слой

MOSFETs

МОП-транзисторы

OH

Гидроксил

SiC

Кремний карбид

UV-Vis

УФ-видимая спектроскопия

VBM

Максимум валентной зоны

VBO

Смещение валентной зоны

XPS

Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия

ZnO

Оксид цинка