Optimisasi Perbandingan Energi Band pada Heterojunti AZO/β‑Ga₂O₃ (2̄01) melalui Deposi Lapis Atom
Abstrak
Efek dop Al pada perbandingan band antarmuka ZnO/β‑Ga2O3 dikarakterisasi dengan spektroskopi fotoelektron X‑ray (XPS) dan dihitung dengan simulasi prinsip pertama. Perbandingan band konduksi bervariasi dari 1,39 hingga 1,67 eV, sedangkan perbandingan band valensi berkurang dari 0,06 hingga −0,42 eV, menunjukkan ketergantungan yang hampir linier terhadap rasio dop Al yang bervariasi dari 0 hingga 10 %. Akibatnya, perbandingan band tipe‑I terbentuk pada antarmuka heterojunti ZnO/β‑Ga2O3 dan antarmuka AZO/β‑Ga2O3 memiliki perbandingan band tipe‑II. Ini karena penyisipan Al ke dalam ZnO akan membuka band gap karena campuran elektron Al dan O yang kuat, dan tepi band konduksi dan valensi bergerak ke level yang lebih rendah.
Latar Belakang
Masa kini, semiconductor oksida Ga2O3 telah menarik minat luas karena karakteristik uniknya seperti band gap yang luas, kecepatan saturasi elektron yang tinggi, dan ketahanan suhu tinggi [1]. Terdapat lima jenis isomorfa untuk Ga2O3: α, β, γ, δ, dan ε, di mana β‑Ga2O3 dapat ditumbuhkan lebih mudah dan telah diteliti secara luas [2]. Khususnya, β‑Ga2O3 memiliki medan hancur listrik yang lebih besar dibandingkan bahan semiconductor generasi ketiga tradisional, seperti SiC dan GaN [3]. Properti konduktif n‑type dapat dimodulasi dengan dop Sn [4] atau Si [5]. Jadi perangkat berbasis β‑Ga2O3 [6, 7] memiliki peluang aplikasi yang luas di bidang teknologi informasi, konservasi energi, dan pengurangan emisi. Namun, perangkat berbasis β‑Ga2O3 memiliki keterbatasan umum: kontak antara β‑Ga2O3 dan sebagian besar logam cenderung menjadi Schottky karena barier yang besar yang diinduksi oleh band gap yang luas dan konsentrasi pembawa yang terbatas. Dalam beberapa tahun terakhir, penyisipan lapisan perantara, seperti ITO [8] dan AZO [9], antara Ga2O3 dan logam terbukti menjadi metode yang valid untuk mengurangi barier energi antara β‑Ga2O3 dan logam.
Zink oksida yang di‑dop Al (AZO) telah mendapat perhatian besar karena resistivitas rendah dan biaya pembuatan yang lebih rendah daripada ITO [10]. Khususnya, stabilitas termal yang tinggi, mobilitas yang tinggi, dan konsentrasi pembawa menjadikannya kandidat yang menjanjikan sebagai lapisan semikonductor perantara (ISL) [11]. Sampai sekarang, film ZnO yang di‑dop Al dapat ditumbuhkan melalui teknik berikut: epitaksi pasir molekular (MBE) [12], penyiapan magnatron [13], pengendapan uap kimia (CVD) [14], dan depoisi lapis atom (ALD) [15]. Khususnya, ALD adalah metode yang terkenal untuk mempersiapkan film tebal nano yang menunjukkan keseragaman luas area yang luar biasa dan laju pertumbuhan per siklus karena reaksi permukaan yang dibatasi sendiri termasuk serapan kimia yang dibatasi sendiri dan reaksi berurutan yang dibatasi sendiri [16]. Selain itu, ALD dapat mengurangi gangguan antarmuka dan memodulasi konsentrasi dop Al secara lebih tepat dengan mengubah rasio siklus pertumbuhan.
Perhatikan bahwa perbandingan band konduksi (CBO) menentukan barier energi untuk transportasi elektron, jadi CBO yang lebih kecil bermanfaat untuk membentuk kontak Ohmik. Berdasarkan karya kami sebelumnya [17], dengan meningkatkan konsentrasi dop Al, film ZnO yang di‑dop Al berubah dari kristal poli ke sifat amorf, dan band gapnya juga melebih. Namun, perbandingan band dari berbagai heterojunti ZnO yang di‑dop Al/β‑Ga2O3 belum diteliti secara luas. Dalam karya ini, film ZnO dengan berbagai rasio dop Al masing-masing ditetapkan pada substrat β‑Ga2O3 oleh ALD. Hasil menunjukkan bahwa VBO dan CBO hampir linier terhadap rasio dop Al.
Metode
Substrat adalah bulk β‑Ga2O3 (\( \overline{2}01 \)) dan konsentrasi dop sekitar 3 × 1018/cm3. Proses pembersihan untuk substrat Ga2O3 dilakukan dengan cuci ultrasonik dalam aseton dan propanol selama masing‑masing 10 menit dengan diulang tiga kali. Selanjutnya, substrat Ga2O3 dibersihkan dengan air deion. Kemudian, film ZnO yang di‑dop Al ditetapkan pada substrat Ga2O3 oleh ALD (Wuxi MNT Micro Nanotech Co., LTD, China). Tiga jenis sampel disiapkan. Pertama, film ZnO tidak di‑dop ditetapkan oleh ALD dengan precursori Zn (C2H5)2 (DEZ) dan H2O pada 200 °C. Kedua, film ZnO yang di‑dop Al dilakukan dengan menambahkan satu pulsa trimethylaluminum (TMA) dan H2O setiap siklus ke‑19 dari pulsa DEZ dan H2O (ditandai sebagai 5 % dop Al) pada suhu substrat 200 °C selama ALD. Ketiga, film ZnO yang di‑dop Al dengan rasio 9:1 (ditandai sebagai 10 % dop Al) juga disiapkan. Laju pertumbuhan ZnO dan Al2O3 adalah 0,16 dan 0,1 nm/siklus, masing-masing. Setiap jenis film mencakup dua tebal yang berbeda, yaitu 40 nm dan 10 nm untuk film tebal dan tipis, masing-masing. Selain itu, substrat β‑Ga2O3 digunakan untuk mempelajari bahan bulk. Ga 2p, Zn 2p CL, dan maksimum band valensi (VBM) diukur oleh spektroskopi X‑ray (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 kamera XPS, etet ion Ar dilakukan sebelum pengukuran XPS. Perhatikan bahwa efek pengisian muatan dapat menggeser spektrum XPS, dan BE puncak C 1s dikalibrasi pada 284,8 eV untuk memecahkan masalah ini.
Hasil dan Pembahasan
Perbandingan band valensi (VBO) heterojunti ZnO yang di‑dop Al/β‑Ga2O3 dapat diperoleh melalui rumus sebagai berikut [18]:
di mana\( {E}_{\mathrm{Ga}\ 2p}^{{\mathrm{Ga}}_2{\mathrm{O}}_3} \) merujuk pada energi ikatan (BE) level inti inti (CL) Ga 2p dalam bulk β‑Ga2O3, \( {E}_{\mathrm{VBM}}^{{\mathrm{Ga}}_2{\mathrm{O}}_3} \) merujuk pada BE VBM dalam bulk β‑Ga2O3, \( {E}_{\mathrm{Zn}\ 2p}^{\mathrm{AZO}} \) merujuk pada BE Zn 2p CL dalam film ZnO yang di‑dop Al tebal, \( {E}_{\mathrm{VBM}}^{\mathrm{AZO}} \) merujuk pada BE VBM dalam film ZnO yang di‑dop Al tebal. Yang terakhir \( {E}_{\mathrm{Ga}\ 2p}^{{\mathrm{Ga}}_2{\mathrm{O}}_3} \) dan \( {E}_{\mathrm{Zn}\ 2p}^{\mathrm{AZO}} \) merujuk pada BE Ga 2p dan Zn 2p CL dalam film ZnO yang di‑dop Al tipis, masing-masing.
Selanjutnya, berdasarkan Eg dan ∆EV, CBO pada antarmuka ZnO yang di‑dop Al/β‑Ga2O3 dapat dihitung dengan persamaan berikut:
di mana\( {E}_g^{{\mathrm{Ga}}_2{\mathrm{O}}_3} \) adalah band gap Ga2O3 dan \( {E}_g^{\mathrm{AZO}} \) adalah band gap ZnO yang di‑dop Al. Band gap untuk ZnO tidak di‑dop, 5 % ZnO yang di‑dop Al, 10 % ZnO yang di‑dop Al, dan β‑Ga2O3 adalah 3,20 eV, 3,25 eV, 3,40 eV, dan 4,65 eV, masing-masing [17, 19]. Band gap meningkat dengan rasio dop Al yang lebih tinggi, sepakat dengan simulasi di bagian selanjutnya.
Gambar 1 menunjukkan CL elemen Ga dan Zn dan VBM dari bulk β‑Ga2O3, film ZnO tidak di‑dop tebal, dan 5 % serta 10 % film ZnO yang di‑dop Al. Menyesuaikan area linier dan zona band datar dari spektrum VBM dapat menyimpulkan VBM [20]. Gambar 2 menunjukkan Ga 2p dan Zn 2p CL dari berbagai heterojunti ZnO yang di‑dop Al tipis/β‑Ga2O3. Selisih BE Ga 2p dan Zn 2p CL untuk ZnO tidak di‑dop/β‑Ga2O3, 5 % ZnO yang di‑dop Al/β‑Ga2O3, dan 10 % ZnO yang di‑dop Al/β‑Ga2O3 diperoleh sebesar 96,12 eV, 96,16 eV, dan 95,94 eV, masing-masing. Kemudian, VBO pada antarmuka ditentukan sebesar 1,39 eV, 1,52 eV, dan 1,67 eV untuk sampel ZnO tidak di‑dop, 5 % ZnO yang di‑dop Al/β‑Ga2O3, dan 10 % ZnO yang di‑dop Al/β‑Ga2O3, masing-masing.
Spektrum XPS resolusi tinggi untuk CL dan maksimum band valensi (VBM) dari a spektrum CL Ga 2p dan VBM dari β‑Ga2O3 polos, b spektrum CL Zn 2p dan VBM dari ZnO murni tebal/β‑Ga2O3, c spektrum CL Zn 2p dan VBM dari ZnO yang di‑dop Al 5 % tebal/β‑Ga2O3, dan d spektrum CL Zn 2p dan VBM dari ZnO yang di‑dop Al 10 % tebal/β‑Ga2O3
Spektrum CL Ga 2p dan Zn 2p yang diperoleh dari spektrum XPS resolusi tinggi dari a ZnO tipis/β‑Ga2O3, b ZnO yang di‑dop Al 5 % tipis/β‑Ga2O3, dan c ZnO yang di‑dop Al 10 % tipis/β‑Ga2O3
Perbandingan band sistematis untuk heterojunti ZnO yang di‑dop Al 0 %, 5 %, dan 10 %/β‑Ga2O3 dihitung dengan persamaan di atas, seperti ditunjukkan pada Gambar 3. Perbandingan band heterojunti ZnO tidak di‑dop/β‑Ga2O3 termasuk tipe I. Sementara heterojunti ZnO yang di‑dop Al 5 % dan 10 %/β‑Ga2O3 keduanya memiliki perbandingan band tipe‑II. Gambar 4 menggambarkan perbandingan band antarmuka ZnO yang di‑dop Al/β‑Ga2O3 memiliki hubungan linier yang serupa dengan konsentrasi dop Al. CBO bervariasi dari 1,39 hingga 1,67 eV dengan konsentrasi dop Al meningkat dari 0 hingga 10 %. Sementara VBO berkurang dari 0,06 hingga −0,42 eV dengan konsentrasi dop Al naik dari 0 hingga 10 %. Perlu dicatat bahwa CBO dan VBO untuk AZO yang di‑sputter/β‑Ga2O3 adalah 0,79 eV dan 0,61 eV, masing-masing [9]. Kedua band konduksi dan valensi bergerak ke bawah dalam karya ini, yang mungkin disebabkan oleh rasio komposisi dan struktur kristal yang berbeda yang diperkenalkan oleh metode penyetoran.
Diagram perbandingan band skematik dari a ZnO murni/β‑Ga2O3, b ZnO yang di‑dop Al 5 %/β‑Ga2O3, dan c ZnO yang di‑dop Al 10 %/β‑Ga2O3
Perbandingan band konduksi dan valensi dari heterojunti AZO/β‑Ga2O3 yang di‑deposit ALD pada berbagai rasio dop Al
Selain itu, simulasi prinsip pertama dilakukan oleh Paket Simulasi Ab‑Initio Vienna (VASP) [21,22,23,24] untuk menyelidiki struktur band elektronik dan perbandingan band heterojunti ZnO yang di‑dop Al/Ga2O3. Selama perhitungan, interaksi elektron‑ion diperlakukan oleh pseudo‑potensi ultra‑lembut, dan fungsi gelombang serta potensi diperluas oleh basis gelombang datar [25]. Selain itu, dekatian gradien umum (GGA) yang diusulkan oleh Perdew, Burke, dan Ernzerhof (PBE) diimplementasikan untuk menggambarkan energi pertukaran‑korelasi [26]. Sebelum memulai simulasi, tes konvergensi dilakukan. Ini menunjukkan bahwa energi potong 450 eV untuk basis gelombang datar dan grid ruang k 3 × 3 × 3 dengan skema Monkhorst Pack memberikan hasil yang baik konvergen. Dalam optimisasi struktur, metode gradien konjugat digunakan dan gaya residual dilepaskan hingga kurang dari 0,01 eV/Å. Selain itu, fungsi densitas hibrid berdasarkan dekatian semi‑lokal PBE diimplementasikan. Untuk memperbaiki band gap yang diestimasi terlalu rendah, 35 % pertukaran PBE digantikan dengan yang tepat [27]. Untuk mengidentifikasi perpindahan tepi band dengan perubahan tingkat dop Al, potensial elektrostatis rata‑rata (AEP) dihitung dan diselaraskan ke level vakum yang diskalakan ke 0 V. VBM dan minimum band konduksi (CBM) kemudian diselaraskan ke AEP berdasarkan diagram band [28]. Dalam karya ini, bulk ZnO dengan 16 atom O dan 16 atom Zn dalam sel super digunakan. Untuk memperkenalkan dop Al, satu atau dua atom Zn dalam sel super diganti oleh atom Al, menciptakan struktur yang di‑dop Al dengan konsentrasi dop sebesar 3,21 % dan 6,25 %, masing-masing.
Gambar 5 a–c menunjukkan diagram band yang dihitung dari struktur ZnO tidak di‑dop, 3,21 % ZnO yang di‑dop Al, dan 6,25 % ZnO yang di‑dop Al, masing-masing. Ini jelas menunjukkan bahwa ZnO adalah semiconductor band gap langsung dengan band gap sebesar 3,42 eV, dan CBM serta VBM terletak pada titik Γ zona Brillouin. Hasil simulasi teoretis ini cocok dengan nilai eksperimental yang baik [29]. Dengan dop Al, dapat ditemukan bahwa level Fermi bergeser ke atas ke dalam band konduksi, yang mengubah ZnO murni menjadi semiconductor n‑type. Dalam waktu yang sama, band gap juga meningkat menjadi 4,83 eV dan 5,42 eV untuk 3,21 % ZnO yang di‑dop Al dan 6,25 % ZnO yang di‑dop Al, masing-masing. Meskipun band gap di sini untuk ZnO yang di‑dop lebih tinggi dari hasil eksperimental kami; hal ini dapat disebabkan oleh pengabaian status defes antarmuka serta defes kristal lainnya.
Diagram band yang dihitung dari a ZnO tidak di‑dop, b ZnO yang di‑dop Al 3,21 %, dan c ZnO yang di‑dop Al 6,25 %. Level Fermi diatur ke 0 eV
Gambar 6 a–c menyajikan perbandingan band dari ZnO tidak di‑dop, 3,21 % ZnO yang di‑dop Al, dan 6,25 % ZnO yang di‑dop Al ke level vakum. Untuk band konduksi bahan, karena campuran elektron yang kuat antara elemen Al dan O, dapat ditemukan bahwa level energi menurun dari −6,19 eV dari ZnO menjadi −6,81 eV untuk ZnO yang di‑dop Al 3,21 % (ΔE = 0,62 eV) dan lebih menurun menjadi −7,48 eV untuk ZnO yang di‑dop Al 6,25 % (ΔE = 1,29 eV). Dalam waktu yang sama, karena pembukaan band gap, juga dapat ditemukan bahwa tepi band valensi bergerak ke bawah dari −9,59 eV untuk ZnO menjadi −11,64 eV untuk ZnO yang di‑dop Al 3,21 % (ΔE = 2,05 eV) dan −12,9 eV untuk ZnO yang di‑dop Al 6,25 % (ΔE = 3,31 eiv). Secara keseluruhan, disebabkan oleh campuran elektron Al dan O yang kuat, dapat dipahami bahwa penyisipan Al ke dalam ZnO akan membuka band gap. Selain itu, itu akan menggeser baik tepi band konduksi dan valensi ke level energi yang lebih rendah ketika diselaraskan ke level vakum.
Perbandingan band heterojunti AZO/β‑Ga2O3 dengan a tidak di‑dop, b 3,21 %, dan c 6,25 % ZnO yang di‑dop Al. Level vakum diskalakan ke 0 eV
Kesimpulan
Dalam kesimpulan, perbandingan band dari berbagai antarmuka heterojunti ZnO yang di‑dop Al/β‑Ga2O3 (\( \overline{2}01 \)) telah diteliti oleh XPS. Perbandingan band tipe‑I terbentuk pada antarmuka heterojunti ZnO/β‑Ga2O3. Sementara antarmuka AZO/β‑Ga2O3 memiliki perbandingan band tipe‑II. CBO bervariasi dari 1,39 hingga 1,67 eV dan VBO berkurang dari 0,06 hingga −0,42 eV dengan konsentrasi dop Al naik dari 0 hingga 10 %. Selain itu, perhitungan fungsi densitas menunjukkan bahwa perbandingan band berubah karena campuran elektron Al dan O yang kuat saat Al disisipkan ke dalam ZnO. Hasil ini menunjukkan bahwa ZnO murni adalah ISL yang valid untuk mengurangi ketinggian barier dan mempromosikan transportasi elektron.
Ketersediaan Data dan Bahan
Dataset yang mendukung kesimpulan naskah ini termasuk dalam naskah.
