Penyelidikan pita energi pada lapisan atom deposit AZO/β-Ga2O3 (\( \overline{2}01 \)) heterojunctions
Abstrak
Efek Al-doped pada band offset ZnO/β-Ga2 O3 antarmuka dicirikan oleh spektroskopi fotoelektron sinar-X dan dihitung dengan simulasi prinsip pertama. Offset pita konduksi bervariasi dari 1,39 hingga 1,67 eV, offset pita valensi berkurang dari 0,06 menjadi -0,42 eV, menunjukkan ketergantungan yang hampir linier terhadap rasio doping Al yang bervariasi dari 0 hingga 10%. Akibatnya, penyelarasan pita tipe-I terbentuk pada antarmuka ZnO/β-Ga2 O3 heterojunction dan AZO/β-Ga2 O3 antarmuka memiliki keselarasan pita tipe-II. Hal ini karena penggabungan Al ke dalam ZnO akan membuka celah pita karena pencampuran elektron Al dan O yang kuat, dan akibatnya tepi pita konduksi dan valensi bergeser ke arah tingkat yang lebih rendah.
Latar Belakang
Baru-baru ini, semikonduktor oksida Ga2 O3 telah menarik minat luas karena karakteristiknya yang unik seperti celah pita yang besar, kecepatan elektron saturasi yang tinggi, dan ketahanan suhu yang tinggi [1]. Ada lima macam isomer untuk Ga2 O3 :, , , , dan , dengan -Ga2 O3 dapat tumbuh lebih mudah dan telah dipelajari secara luas [2]. Secara khusus, -Ga2 O3 memiliki medan listrik tembus yang lebih besar daripada bahan semikonduktor generasi ketiga tradisional, seperti SiC dan GaN [3]. Sifat konduktif tipe-n dapat dimodulasi dengan doping Sn [4] atau Si [5]. Jadi -Ga2 O3 perangkat berbasis [6, 7] memiliki prospek aplikasi yang luas di bidang teknologi informasi, konservasi energi, dan pengurangan emisi. Namun, -Ga2 O3 -perangkat berbasis memiliki batasan umum:kontak antara -Ga2 O3 dan kebanyakan logam cenderung Schottky karena penghalang besar yang disebabkan oleh celah pita lebar dan konsentrasi pembawa yang terbatas. Dalam beberapa tahun terakhir, menyisipkan interlayer, seperti ITO [8] dan AZO [9], antara Ga2 O3 dan logam terbukti menjadi metode yang valid untuk mengurangi penghalang energi antara -Ga2 O3 dan logam.
Al-doped zinc oxide (ZnO) telah mendapatkan banyak perhatian karena resistivitas rendah dan biaya fabrikasi lebih rendah dari ITO [10]. Secara khusus, stabilitas termal yang tinggi, mobilitas tinggi, dan konsentrasi pembawa menjadikannya kandidat yang menjanjikan dari lapisan semikonduktor perantara (ISL) [11]. Sejauh ini, film ZnO yang didoping Al dapat ditumbuhkan melalui teknik berikut:molekuler beam epitaksi (MBE) [12], magnetron sputtering [13], deposisi uap kimia (CVD) [14], dan deposisi lapisan atom (ALD) [ 15]. Khususnya, ALD adalah metode terkenal untuk menyiapkan film dengan ketebalan nano yang menunjukkan keseragaman area yang luas dan menyatukan laju pertumbuhan per siklus karena reaksi permukaan yang membatasi diri termasuk adsorpsi kimia yang membatasi sendiri dan reaksi sekuensial yang membatasi sendiri [16]. Selain itu, ALD dapat mengurangi gangguan antarmuka dan lebih tepat memodulasi konsentrasi doping Al dengan mengubah rasio siklus pertumbuhan.
Perhatikan bahwa offset pita konduksi (CBO) menentukan penghalang energi untuk transpor elektron, sehingga CBO yang lebih kecil bermanfaat untuk membentuk kontak Ohmik. Berdasarkan penelitian kami sebelumnya [17], dengan meningkatkan konsentrasi doping Al, film ZnO yang didoping Al berubah dari sifat polikristalin menjadi amorf, dan celah pitanya juga melebar. Namun, band offset ZnO/β-Ga yang didoping Al berbeda2 O3 heterojungsi belum dipelajari secara luas. Dalam penelitian ini, film ZnO dengan rasio doping Al yang berbeda masing-masing diendapkan pada -Ga2 O3 substrat oleh ALD. Hasilnya menunjukkan VBO dan CBO hampir secara linier bergantung pada rasio doping Al.
Metode
Substratnya massal -Ga2 O3 (\( \overline{2}01 \)) dan konsentrasi doping adalah sekitar 3 × 10
18
/cm
3
. Proses pembersihan untuk Ga2 O3 substrat dilakukan pencucian ultrasonik dalam aseton dan isopropanol setiap 10 menit dengan pengulangan sebanyak tiga kali. Selanjutnya, Ga2 O3 substrat dibilas dengan air deionisasi. Setelah itu, film ZnO yang didoping Al ditumbuhkan pada Ga2 O3 substrat oleh ALD (Wuxi MNT Micro Nanotech Co., LTD, Cina). Tiga jenis sampel disiapkan. Pertama, film ZnO yang tidak didoping ditumbuhkan dengan ALD dengan prekursor Zn (C2 H5 )2 (DEZ) dan H2 Pukul 200
o
C. Kedua, pembuatan film ZnO yang didoping Al dilakukan dengan menambahkan satu pulsa trimetiluminium (TMA) dan H2 O setiap siklus ke-19 DEZ dan H2 O berdenyut (dilambangkan sebagai 5% doping Al) pada suhu substrat 200
o
C selama ALD. Ketiga, film ZnO yang didoping Al dengan rasio 9:1 (dilambangkan sebagai 10% doping Al) juga disiapkan. Laju pertumbuhan ZnO dan Al2 O3 adalah 0,16 dan 0,1 nm/siklus, masing-masing. Setiap jenis film memiliki dua ketebalan yang berbeda, masing-masing 40 nm dan 10 nm untuk film tebal dan tipis. Selain itu, -Ga2 O3 substrat digunakan untuk mempelajari bahan curah. Ga 2p , Zn 2p CL, dan pita valensi maksimum (VBM) diukur dengan spektroskopi sinar-X (XPS) (AXIS Ultra DLD, Shimadzu) dan langkah resolusi spektrum XPS adalah 0,05 eV. Untuk menghindari kontaminasi permukaan sampel selama proses transfer dari ALD ke XPS chamber, dilakukan etsa ion Ar sebelum pengukuran XPS. Perhatikan bahwa efek pengisian daya dapat menggeser spektrum XPS, dan BE dari C 1s puncak dikalibrasi pada 284,8 eV untuk menyelesaikan masalah.
Hasil dan Diskusi
Offset pita valensi (VBO) dari ZnO/β-Ga yang didoping Al2 O3 heterojunction dapat diperoleh melalui rumus sebagai berikut [18]:
di mana\( {E}_{\mathrm{Ga}\ 2p}^{{\mathrm{Ga}}_2{\mathrm{O}}_3} \) mengacu pada energi ikat (BE) dari Ga 2p tingkat inti (CL) secara massal -Ga2 O3 , \( {E}_{\mathrm{VBM}}^{{\mathrm{Ga}}_2{\mathrm{O}}_3} \) mengacu pada BE VBM secara massal -Ga2 O3 , \( {E}_{\mathrm{Zn}\ 2p}^{\mathrm{AZO}} \) mengacu pada BE dari Zn 2p CL dalam film ZnO yang didoping Al tebal, \( {E}_{\mathrm{VBM}}^{\mathrm{AZO}} \) mengacu pada BE VBM dalam film ZnO yang didoping Al tebal. Yang terakhir \( {E}_{\mathrm{Ga}\ 2p}^{{\mathrm{Ga}}_2{\mathrm{O}}_3} \) dan \( {E}_{\mathrm{Zn }\ 2p}^{\mathrm{AZO}} \) mengacu pada BE dari Ga 2p dan Zn 2p CL dalam film tipis ZnO yang didoping Al, masing-masing.
Selanjutnya, berdasarkan Eg dan ∆EV , CBO di ZnO/β-Ga yang didoping Al2 O3 antarmuka dapat dihitung dengan persamaan berikut:
di mana\( {E}_g^{{\mathrm{Ga}}_2{\mathrm{O}}_3} \) adalah celah pita dari Ga2 O3 dan \( {E}_g^{\mathrm{AZO}} \) adalah celah pita dari ZnO yang didoping Al. Celah pita untuk ZnO yang didoping Al 5%, ZnO yang didoping Al 10%, dan -Ga2 O3 masing-masing adalah 3,20 eV, 3,25 eV, 3,40 eV, dan 4,65 eV [17, 19]. Celah pita meningkat dengan rasio doping Al yang lebih tinggi, sesuai dengan simulasi di bagian selanjutnya.
Gambar 1 menunjukkan elemen Ga dan Zn CLs dan VBM curah -Ga2 O3 , film ZnO yang tidak didoping tebal, dan 5% dan 10% yang didoping Al. Pemasangan area linier dan zona pita datar dari spektrum VBM dapat menyimpulkan VBM [20]. Gambar 2 menunjukkan Ga 2p dan Zn 2p CL dari berbagai ZnO/β-Ga tipis yang didoping Al2 O3 heterojungsi. Perbedaan BE dari Ga 2p dan Zn 2p CL untuk ZnO/β-Ga yang tidak didoping, 5% Al-doping2 O3 , dan 10% Al-doped ZnO/β-Ga2 O3 diperoleh masing-masing menjadi 96,12 eV, 96,16 eV, dan 95,94 eV. Kemudian, VBO pada antarmuka ditentukan menjadi 1,39 eV, 1,52 eV, dan 1,67 eV untuk ZnO/β-Ga yang tidak didoping, 5% Al-doping2 O3 , dan 10% Al-doped ZnO/β-Ga2 O3 sampel, masing-masing.
Spektrum XPS resolusi tinggi untuk tingkat inti dan pita valensi maksimum (VBM) a Ga 2p spektrum tingkat inti dan VBM dari telanjang -Ga2 O3 , b Zn 2p spektrum tingkat inti dan VBM dari ZnO/β-Ga murni tebal2 O3 , c Zn 2p spektrum tingkat inti dan VBM dari ZnO/β-Ga 5% yang didoping Al tebal2 O3 , dan d Zn 2p spektrum tingkat inti dan VBM dari ZnO/β-Ga 10% yang didoping Al tebal2 O3
Spektrum tingkat inti dari Ga 2p dan Zn 2p diperoleh dari spektrum XPS resolusi tinggi a ZnO/β-Ga tipis2 O3 , b tipis 5% Al-doped ZnO/β-Ga2 O3 , dan c ZnO/β-Ga yang didoping Al 10% tipis2 O3
Penjajaran pita sistematis untuk ZnO/β-Ga yang didoping Al 0%, 5%, dan 10%2 O3 heterojungsi dihitung dengan persamaan di atas, seperti ditunjukkan pada Gambar. 3. Band offset ZnO/β-Ga yang tidak didoping2 O3 heterojungsi termasuk ke dalam tipe I. Sedangkan ZnO/β-Ga yang didoping Al 5% dan 10%2 O3 heterojungsi memiliki offset pita tipe-II. Gambar 4 menggambarkan penjajaran pita ZnO/β-Ga yang didoping Al2 O3 antarmuka memiliki hubungan linier yang sama dengan konsentrasi doping Al. CBO bervariasi dari 1,39 hingga 1,67 eV dengan konsentrasi yang didoping Al meningkat dari 0 hingga 10%. Sementara VBO berkurang dari 0,06 menjadi -0,42 eV dengan konsentrasi yang didoping Al naik dari 0 menjadi 10%. Perlu dicatat bahwa CBO dan VBO untuk AZO/β-Ga yang tergagap2 O3 adalah 0,79 eV dan 0,61 eV, masing-masing [9]. Baik pita konduksi dan valensi bergeser ke bawah dalam pekerjaan ini, yang mungkin disebabkan oleh rasio komposisi dan struktur kristal yang berbeda yang diperkenalkan oleh metode pengendapan.
Diagram keselarasan pita skematik dari a ZnO/β-Ga murni2 O3 , b 5% Al-doped ZnO/β-Ga2 O3 , dan c 10% Al-doped ZnO/β-Ga2 O3
Offset pita konduksi dan valensi dari lapisan atom AZO/β-Ga2 O3 heterojungsi dibuat pada rasio doping Al yang berbeda
Selain itu, simulasi prinsip pertama dilakukan oleh Vienna Ab-initio Simulation Package (VASP) [21,22,23,24] untuk menyelidiki struktur pita elektronik dan penyelarasan pita ZnO/Ga2 yang didoping Al O3 heterojungsi. Selama perhitungan, interaksi elektron-ion diperlakukan oleh potensi semu ultra-lunak, dan fungsi dan potensi gelombang diperluas dengan basis gelombang bidang [25]. Selain itu, pendekatan gradien umum (GGA) yang diusulkan oleh Perdew, Burke, dan Ernzerhof (PBE) diimplementasikan untuk menggambarkan energi korelasi pertukaran [26]. Sebelum memulai simulasi, tes konvergen dilakukan. Ini menunjukkan bahwa energi cutoff 450 eV untuk basis gelombang-bidang dan kisi-kisi ruang-k 3 × 3 × 3 dengan skema Paket Monkhorst memberikan hasil yang terkonvergensi dengan baik. Dalam optimasi struktur, metode gradien konjugasi digunakan dan gaya sisa dilepaskan hingga kurang dari 0,01 eV/Å. Selain itu, fungsi kepadatan hibrida berdasarkan pendekatan PBE semi-lokal diimplementasikan. Untuk memperbaiki celah pita yang diremehkan, 35% pertukaran PBE diganti dengan yang tepat [27]. Untuk mengidentifikasi pergeseran tepi pita dengan perubahan tingkat doping Al, potensial elektrostatik rata-rata (AEP) dihitung dan disejajarkan dengan tingkat vakum yang diskalakan ke 0 V. Akibatnya, VBM dan pita konduksi minimum (CBM) disejajarkan dengan AEP berdasarkan diagram pita [28]. Dalam karya ini, ZnO massal dengan 16 atom O dan 16 atom Zn di supercell digunakan. Untuk memperkenalkan doping Al, satu atau dua atom Zn di supercell digantikan oleh atom Al, menciptakan struktur Al-doping dengan konsentrasi doping masing-masing 3,21% dan 6,25%.
Gambar 5 a–c menunjukkan diagram pita terhitung dari struktur ZnO yang tidak didoping, 3,21% Al, dan 6,25% ZnO yang didoping Al. Ini jelas menunjukkan bahwa ZnO adalah semikonduktor celah pita langsung dengan celah pita 3,42 eV, dan CBM serta VBM terletak di titik zona Brillouin. Hasil simulasi teoritis ini sesuai dengan nilai eksperimen dengan cukup baik [29]. Dengan doping Al, dapat ditemukan bahwa level Fermi bergeser ke atas ke pita konduksi, yang mengubah ZnO murni menjadi semikonduktor tipe-n. Sementara itu, celah pita juga meningkat menjadi 4,83 eV dan 5,42 eV untuk masing-masing 3,21% ZnO yang didoping Al dan 6,25% ZnO yang didoping Al. Meskipun celah pita di sini untuk ZnO yang didoping lebih tinggi dari hasil eksperimen kami; namun, ini dapat dianggap berasal dari pengabaian status cacat antarmuka serta cacat kristal lainnya.
Diagram pita terhitung dari a ZnO yang tidak didoping, b 3,21% ZnO yang didoping Al, dan c 6,25% struktur ZnO yang didoping Al. Level Fermi disetel ke 0 eV
Gambar 6 a–c menyajikan penjajaran pita dari ZnO yang tidak didoping, 3,21% ZnO yang didoping Al, dan 6,25% ZnO yang didoping Al hingga tingkat vakum. Untuk pita konduksi bahan, karena percampuran elektron yang kuat antara elemen Al dan O, dapat ditemukan bahwa tingkat energi menurun dari 6,19 eV ZnO menjadi 6,81 eV untuk ZnO yang didoping Al 3,21% ( E = 0,62 eV ) dan selanjutnya menurun hingga 7,48 eV untuk ZnO yang didoping Al 6,25% (ΔE = 1,29 eV ). Sementara itu, karena pembukaan celah pita, juga dapat ditemukan bahwa tepi pita valensi bergerak ke bawah dari 9.59 eV untuk ZnO ke 11.64 eV untuk ZnO yang didoping Al 3,21% (ΔE = 2,05 eV ) dan 12.9 eV untuk ZnO yang didoping Al 6,25% (ΔE = 3,31 eV ). Secara keseluruhan, karena percampuran elektron Al dan O yang kuat, dapat dipahami bahwa memasukkan Al ke dalam ZnO akan membuka celah pita. Selain itu, ini akan menggeser pita konduksi dan tepi pita valensi ke tingkat energi yang lebih rendah ketika disejajarkan dengan tingkat vakum.
Penjajaran pita AZO/β-Ga2 O3 heterojungsi dengan a dibatalkan, b 3,21%, dan c 6,25% ZnO yang didoping Al. Tingkat vakum diskalakan ke 0 eV
Kesimpulan
Kesimpulannya, penjajaran pita dari ZnO/β-Ga yang didoping Al berbeda2 O3 (\( \overline{2} \)01) antarmuka telah diselidiki oleh XPS. Penjajaran pita tipe-I terbentuk pada antarmuka ZnO/β-Ga2 O3 heterojungsi. Sedangkan AZO/β-Ga2 O3 antarmuka memiliki keselarasan pita tipe-II. CBO bervariasi dari 1,39 hingga 1,67 eV dan VBO berkurang dari 0,06 menjadi 0,42 eV dengan konsentrasi yang didoping Al meningkat dari 0 hingga 10%. Selain itu, perhitungan fungsi densitas menunjukkan bahwa band offset berubah karena pencampuran elektron Al dan O yang kuat ketika Al dimasukkan ke dalam ZnO. Hasil ini menunjukkan bahwa ZnO murni adalah ISL yang valid untuk mengurangi ketinggian penghalang dan meningkatkan transpor elektron.
Ketersediaan Data dan Materi
Kumpulan data yang mendukung kesimpulan naskah ini disertakan dalam naskah.
