Investigasi Pita Energi pada Lapisan-Atom-Deposit ZnO/β-Ga2O3 ($ \overline{2}01 $) Heterojunctions

Abstrak

Penjajaran pita energi ZnO/β-Ga₂ O₃ ($ \overline{2}01 $) heterojungsi dicirikan dengan spektroskopi fotoelektron sinar-X (XPS). Film ZnO ditumbuhkan dengan menggunakan deposisi lapisan atom pada berbagai temperatur. Penjajaran pita tipe-I diidentifikasi untuk semua ZnO/β-Ga₂ O₃ heterojungsi. Offset pita konduksi (valensi) bervariasi dari 1,26 (0,20) eV hingga 1,47 (0,01) eV dengan peningkatan suhu pertumbuhan dari 150 menjadi 250 °C. Peningkatan pita konduksi offset dengan suhu terutama disumbangkan oleh interstisial Zn dalam film ZnO. Sementara itu, cacat kompleks tipe akseptor V_zn + OH dapat menjelaskan offset pita valensi tereduksi. Temuan ini akan memfasilitasi desain dan analisis fisik ZnO/β-Ga₂ O₃ perangkat elektronik yang relevan.

Pengantar

Galium oksida (Ga₂ O₃ ) telah banyak diteliti sebagai bahan semikonduktor celah pita ultra lebar yang menjanjikan untuk perangkat elektronika daya generasi berikutnya karena sifatnya yang unik [1]. Di antara berbagai polimorf (α, , , , dan ), monoklinik -Ga₂ O₃ memiliki stabilitas termal paling tinggi [2]. Selain itu, -Ga₂ O₃ memiliki celah pita suhu kamar 4,5~4,9 eV, dan stabilitas kimia yang sangat baik [3]. Terutama, -Ga₂ O₃ memiliki mobilitas elektron curah tinggi 100 cm² /V·s, bidang kerusakan yang jauh lebih tinggi yaitu 8 MV/cm daripada SiC (3,18 MV/cm) atau GaN (3 MV/cm) [4], dan konsentrasi pembawa dapat dengan mudah dimodulasi dengan doping Sn dan Si [ 5, 6]. Oleh karena itu, -Ga₂ O₃ perangkat berbasis termasuk photodetektor solar-blind [7] dan transistor efek medan semikonduktor-oksida logam (MOSFET) [8] telah dilaporkan. Namun, batasan masih ada di -Ga₂ O₃ perangkat berbasis, seperti kontak ohmik yang buruk antara logam dan -Ga₂ O₃ [9]. Dalam beberapa tahun terakhir, menyisipkan interlayer logam-oksida-semikonduktor konsentrasi elektron tinggi, yaitu, lapisan semikonduktor menengah (ISL) antara logam dan Ga₂ O₃ , telah terbukti menjadi resolusi yang efektif karena modulasi penghalang energi pada antarmuka [10,11,12].

Seng oksida (ZnO) telah menarik banyak perhatian karena memiliki energi ikat eksiton yang besar sebesar 60 meV, konsentrasi elektron yang tinggi> 10¹⁹ cm⁻³ , dan energi kohesif yang kuat sebesar 1,89 eV. [13, 14] Selain itu, ketidaksesuaian kisi antara ZnO dan Ga₂ O₃ berada dalam 5% [15]. Berbagai teknik pengendapan telah dikembangkan untuk membuat film ZnO, termasuk metode hidrotermal [16, 17] dan deposisi uap kimia (CVD). [18] Namun, metode hidrotermal membutuhkan proses yang rumit dan laju pertumbuhan yang lambat, dan CVD umumnya membutuhkan suhu pertumbuhan tinggi yang tenang di atas 900 °C. Kelemahan ini membuatnya sulit untuk diterapkan di perangkat. Baru-baru ini, deposisi lapisan atom (ALD) telah muncul sebagai teknik yang menjanjikan, yang menunjukkan cakupan langkah yang sangat baik, kemampuan pengendalian ketebalan skala atom, keseragaman yang baik, dan suhu deposisi yang relatif rendah. Akibatnya, lapisan atom ZnO yang diendapkan pada semikonduktor celah pita lebar dapat mengurangi gangguan antarmuka dan menghasilkan sampel yang lebih terkontrol untuk memeriksa penyelarasan pita energi, yang memainkan peran penting dalam proses transportasi pembawa [19]. Hingga saat ini, penyelarasan pita antara Ga₂ O₃ dan ZnO yang terdeposisi di lapisan atom belum dipelajari secara eksperimen, meskipun ada beberapa laporan tentang keselarasan pita teoritis ZnO dan Ga₂ O₃ . [20] Oleh karena itu, memahami keselarasan pita energi lapisan atom ZnO/β-Ga₂ O₃ heterojunction sangat diinginkan untuk desain dan analisis fisik perangkat yang relevan di masa depan. Dalam karya ini, penyelarasan pita energi ZnO yang diendapkan lapisan atom pada -Ga₂ O₃ dikarakterisasi dengan spektroskopi fotoelektron sinar-X (XPS). Selain itu, pengaruh suhu pertumbuhan ZnO pada penyelarasan pita juga dibahas.

Metode

-Ga₂ O₃ ($ \overline{2}01 $) substrat dengan konsentrasi doping Sn ~ 3 × 10¹⁸ /cm³ dipotong kecil-kecil dengan ukuran 6 × 6 mm² . Sampel potong dadu dibersihkan secara bergantian dalam aseton, isopropanol dengan pembersihan ultrasonik untuk setiap 10 menit, kemudian dibilas dengan air deionisasi untuk menghilangkan sisa pelarut organik. Setelah itu, Ga₂ O₃ substrat dipindahkan ke reaktor ALD (Wuxi MNT Micro Nanotech co., LTD, Cina). Laju pertumbuhan film ZnO adalah ~ 1,6 /siklus. Film ZnO 40 dan 5 nm ditumbuhkan pada -Ga₂ . yang telah dibersihkan O₃ menggunakan Zn (C₂ H₅ )₂ (DEZ) dan H₂ O pada masing-masing suhu 150, 200, dan 250 °C. Ketebalan film ZnO yang disiapkan diukur dengan Ellipsometer (Sopra GES-5E). ZnO(40 nm)/β-Ga₂ O₃ digunakan sebagai standar massal, dan ZnO(5 nm)/β-Ga₂ O₃ digunakan untuk menentukan keselarasan pita, sedangkan bare bulk -Ga₂ O₃ digunakan sebagai sampel kontrol. Pengukuran XPS (AXIS Ultra DLD, Shimadzu) dengan langkah 0,05 eV dilakukan untuk mengukur spektrum pita valensi maksimum (VBM), Ga 2p dan Zn 2p. Untuk menghindari gangguan oksidasi dan kontaminasi permukaan, semua sampel digores dengan ion Ar selama 3 menit dengan tegangan 2 kV sebelum pengukuran XPS. Perhatikan bahwa semua spektrum XPS dikalibrasi oleh puncak C 1 pada 284,8 eV untuk mengkompensasi efek pengisian. Untuk mengidentifikasi celah pita, spektrum transmisi optik Ga₂ O₃ dan ZnO diukur dengan spektroskopi ultraviolet-tampak (UV-VIS) (Lambda 750, PerkinElmer, USA).

Hasil dan Diskusi

Gambar 1 menunjukkan variasi (αhv )^1/n sebagai fungsi energi foton untuk massa -Ga₂ O₃ dan film ZnO yang tumbuh diendapkan pada 200 °C. Celah pita optik (E _g ) dari film ZnO dan -Ga₂ O₃ dapat ditentukan oleh hubungan Tauc [21]:(αhv )^1/n = A (hv E _g ), di mana adalah koefisien absorpsi, A adalah konstanta, hv adalah energi foton kejadian, E _g adalah celah pita energi optik, n adalah 1/2 untuk celah pita langsung, dan 2 untuk celah pita tidak langsung. Di sini, ZnO dan -Ga₂ O₃ memiliki celah pita langsung khas yang membuat nilai n adalah 1/2. Selanjutnya, E _g dapat diekstraksi dengan mengekstrapolasi bagian garis lurus ke bias energi di = 0. Oleh karena itu, E yang diekstraksi _g dari ZnO dan -Ga₂ O₃ masing-masing adalah 3,20 eV dan 4,65 eV, sesuai dengan yang dilaporkan. [22, 23]

Plot dari (αhv )² versus hv untuk a Film ZnO ditanam di kaca kuarsa b -Ga₂ O₃ substrat. Sisipan menunjukkan spektrum transmisi optik ZnO dan -Ga₂ O₃ , masing-masing

Valence band offset (VBO) dapat ditentukan dengan metode Kraut menggunakan rumus berikut [24]

$$ \Delta {E}_V=\left({E}_{Ga\ 2p}^{Ga_2{O}_3}-{E}_{VBM}^{Ga_2{O}_3}\right)-\ kiri({E}_{Zn\ 2p}^{Zn O}-{E}_{VBM}^{Zn O}\right)-\left({E}_{Ga\ 2p}^{Ga_2{O }_3}-{E}_{Zn\ 2p}^{Zn O}\kanan), $$ (1)

di mana $ {E}_{Ga\ 2p}^{Ga_2{O}_3}-{E}_{VBM}^{Ga_2{O}_3} $ $ \Big({E}_{Zn\ 2p}^{Zn O}-{E}_{VBM}^{Zn O} $) mewakili perbedaan energi antara Ga 2p (Zn 2p) tingkat inti (CL) dan VBM curah β-Ga₂ O₃ (ZnO), dan $ {E}_{Ga\ 2p}^{Ga_2{O}_3}-{E}_{Zn\ 2p}^{Zn O} $ dilambangkan sebagai perbedaan energi antara Ga 2p dan Zn 2p tingkat inti. Gambar 2 menunjukkan semua spektrum CL termasuk Zn 2p dari ZnO (40 nm)/β-Ga₂ O₃ dan ZnO (5 nm)/β-Ga₂ O₃ , Ga 2p massal Ga₂ O₃ dan ZnO (5 nm)/β-Ga₂ O₃ , serta spektrum pita valensi dari massal Ga₂ O₃ dan ZnO (40 nm)/β-Ga₂ O₃ . Gambar 2a menyajikan spektrum CL Zn 2p pada ZnO (40 nm)/β-Ga₂ O₃ , yang simetris tenang menunjukkan keadaan ikatan seragam, dan puncaknya terletak pada 1021,09 eV sesuai dengan ikatan Zn-O [25]. VBM dapat ditentukan dengan menggunakan metode ekstrapolasi linier [26]. VBM ZnO terletak pada 2,11 eV. Pada Gambar. 2b, puncak yang terletak pada 1117,78 eV sesuai dengan ikatan Ga-O [27] dan VBM dari Ga₂ O₃ dideduksi menjadi 2,74 eV menurut metode yang disebutkan di atas. CL dari Zn 2p dan Ga 2p dalam ZnO (5 nm)/β-Ga₂ O₃ ditunjukkan pada Gambar. 2c. Menurut Persamaan. (1), VBO pada antarmuka ZnO/Ga₂ O₃ ditentukan menjadi 0,06 eV.

Spektrum XPS resolusi tinggi untuk tingkat inti dan pita valensi maksimum (VBM) a Spektrum tingkat inti Zn 2p dan VBM dari 40 nm ZnO/β-Ga₂ O₃ , b Spektrum level inti Ga 2p dan VBM dari telanjang -Ga₂ O₃ , dan c spektrum level inti Ga 2p dan Zn 2p diperoleh dari spektrum XPS resolusi tinggi 5 nm ZnO/β-Ga₂ O₃

Berdasarkan perhitungan E _g dan ∆E _V , offset pita konduksi (CBO) pada ZnO/Ga₂ O₃ antarmuka dapat dengan mudah disimpulkan dari persamaan berikut:

$$ \Delta {E}_C={E}_g^{Ga_2{O}_3}-{E}_g^{ZnO}-\Delta {E}_V, $$ (2)

di mana$ {E}_g^{Ga_2{O}_3} $ dan $ {E}_g^{ZnO} $ adalah celah pita energi untuk -Ga₂ O₃ dan ZnO masing-masing. Diagram pita energi terperinci untuk ZnO/β-Ga₂ O₃ digambarkan pada Gambar. 3. Antarmuka memiliki penyelarasan pita tipe-I, di mana tepi pita konduksi dan valensi ZnO terletak di dalam celah pita -Ga₂ O₃ .

Diagram keselarasan pita skematis ZnO (200 °C)/β-Ga₂ O₃ heterojungsi

Untuk mengkaji lebih lanjut pengaruh temperatur pertumbuhan terhadap keselarasan pita antara ZnO dan -Ga₂ O₃ , film ZnO juga ditumbuhkan pada 150 dan 250 °C. Perhatikan bahwa film ZnO yang dibuat oleh ALD pada suhu 150–250 °C memiliki sifat polikristalin. Gambar 4 menunjukkan spektrum resolusi tinggi O 1s XPS dari film ZnO yang ditumbuhkan pada suhu yang berbeda. Setiap spektrum O1s dapat dipisahkan dengan baik menjadi tiga komponen menggunakan fungsi Gaussian-Lorentzian. Puncak berpusat pada 530.0 (O1), 531.6 (O2), dan 532,4 (O3) eV sesuai dengan pita Zn-O, kekosongan oksigen, dan kelompok –OH [28, 29], masing-masing. Persentase relatif dari komponen yang berbeda juga dihitung menurut luas puncak, diuraikan pada Gambar. 4. Ini menunjukkan bahwa kandungan relatif dari kekosongan oksigen meningkat dari 10,7 menjadi 15,0% karena dekomposisi prekursor dan peningkatan interstisial Zn. Namun, pasangan –OH berkurang dari 5,1 menjadi 1,9% karena reaksi yang lebih lengkap antara prekursor DEZ dan gugus –OH permukaan dalam kisaran suhu ini [30].

Spektrum XPS O 1 resolusi tinggi dari film ZnO yang ditumbuhkan pada a 150 °C, b 200 °C, dan c 250 °C, masing-masing

Gambar 5 menunjukkan band offset ZnO/β-Ga₂ O₃ heterojungsi sebagai fungsi suhu pertumbuhan. CBO meningkat dari 1,26 menjadi 1,47 eV dengan suhu pertumbuhan bervariasi dari 150 hingga 250 °C. Cacat donor asli termasuk anti-posisi Zn, kekosongan oksigen, dan interstisial Zn. Namun, energi pembentukan atom antiposisi sangat tinggi sehingga konsentrasinya sangat rendah. Interstisial Zn lebih berpengaruh pada minimum pita konduksi (CBM) daripada kekosongan oksigen karena CBM terutama didominasi oleh orbit atom Zn 4s. [31] Akibatnya, peningkatan CBO sebesar 0,21 eV terutama dapat disumbangkan oleh interstisial Zn. Di sisi lain, VBO berkurang dari 0,20 menjadi 0,01 eV dengan suhu pertumbuhan meningkat dari 150 menjadi 250 °C. Cacat akseptor asli termasuk anti-posisi O, kekosongan Zn, dan interstisial oksigen [32], yang energi formasinya tinggi dan jumlahnya bahkan dapat diabaikan. Selanjutnya, tingkat akseptor paling asli berada jauh di dalam celah pita ZnO, sehingga mereka memiliki sedikit efek pada VBM [33]. Namun, V_zn + OH disukai untuk disajikan duo dengan energi formasi rendah, [34] V_zn + OH dapat terjadi dengan elektron milik ikatan OH. Kisi hidrogen H⁺ ion bertindak sebagai pusat kompensasi, dan dapat mengikat dengan V_Zn di sekitar inti sesar dislokasi dan susun, memastikan cacat kompleks tipe-akseptor untuk konduktivitas tipe-p [35]. Lebih banyak gugus –OH sisa dalam film ZnO diperoleh pada suhu pertumbuhan yang lebih rendah, yaitu 150 °C [36]. Tingkat akseptor di dekat VBM berkurang dengan suhu, yang mengarah ke pergeseran ke bawah secara efektif di E _V dari ZnO, sehingga ∆E _V menjadi lebih rendah. Oleh karena itu, ZnO yang diendapkan pada suhu yang lebih rendah dapat lebih efisien untuk mengurangi ketinggian penghalang pada antarmuka antara logam dan Ga₂ O₃ .

Offset pita konduksi dan valensi dari lapisan atom ZnO/β-Ga₂ O₃ heterojungsi yang dibuat pada suhu yang berbeda

Kesimpulan

Singkatnya, penyelarasan pita energi pada lapisan atom ZnO/β-Ga₂ O₃ ($ \overline{2}01 $) ditandai dengan XPS. Penjajaran pita tipe-I terbentuk pada ZnO/β-Ga₂ O₃ antarmuka. Offset pita konduksi meningkat dari 1,26 menjadi 1,47 eV sedangkan offset pita valensi menurun dari 0,20 menjadi 0,01 eV dengan kenaikan suhu dari 150 menjadi 250 °C. Pengamatan ini menunjukkan bahwa ZnO yang diendapkan pada suhu yang lebih rendah menguntungkan untuk menjadi ISL yang menjanjikan untuk mengurangi ketinggian penghalang elektron pada ZnO/β-Ga₂ O₃ antarmuka.