Detektor UV NiO/β‑Ga₂O₃ Heterojuntung Sensitif Tinggi untuk Aplikasi Canggih
Abstrak
Detektor ultraviolet (UV) telah menarik minat luas karena aplikasi yang bervariasi dari teknologi pertahanan hingga komunikasi optik. Penggunaan material semiconductor logam oksida jarak band lebar sangat menarik dalam pengembangan detektor UV karena sifat elektronik dan optik uniknya. Dalam karya ini, detektor UV dalam berdasarkan heterojuntung NiO/β-Ga₂O₃ dikembangkan dan ditakrifkan. Lapisan β-Ga₂O₃ disiapkan dengan sputtering magnetron dan menunjukkan orientasi selektifalong keluarga bidang kristal (2 01) setelah pengilang. Detektor menunjukkan kinerja baik dengan responsivitas (R) tinggi sebesar 27,43 AW−1 di bawah iluminasi 245 nm (27 μWcm−2) dan detektivitas maksimum (D*) sebesar 3,14 × 1012 cmHz1/2 W−1, yang disebabkan oleh heterojuntung p-NiO/n-β-Ga₂O₃.
Latar Belakang
Terdapat banyak minat penelitian dalam pengembangan detektor ultraviolet (UV) karena aplikasi yang bervariasi, seperti peringatan ledakan, analisis biokimia, deteksi api dan ozon, serta komunikasi optik. Dibandingkan dengan semiconductor SiC dan GaN, detektor UV berdasarkan logam oksida sempitan jarak band menawarkan banyak keuntungan. Misalnya, detektor berbasis logam oksida tidak mudah teroksidasi dan menunjukkan respons yang sensitif. Selain itu, mudah dioperasikan dan dapat dibuat berukuran kecil [1, 2]. Oleh karena itu, logam oksida jarak band lebar dan perangkatnya telah menarik banyak perhatian penelitian dalam beberapa tahun terakhir. Hingga saat ini, logam oksida seperti ZnO [3,4,5], TiO₂ [6, 7], SnO₂ [8], NiO [9], dan Ga₂O₃ [10, 11] telah ditakrifkan untuk digunakan sebagai detektor UV berkinerja tinggi. Di antaranya, fasa stabil Ga₂O₃ (β-Ga₂O₃) menjadi material pilihan untuk detektor UV karena merupakan semiconductor jarak band langsung dengan jarak band ultra-lebar sekitar 4,9 eV yang merespons band UV secara efektif. Proses pertumbuhan material yang mudah adalah keuntungan tambahan.
Beberapa kelompok telah mencoba meningkatkan kinerja detektor UV dengan mengembangkan perangkat heterojuntung yang terdiri dari dua logam oksida semiconductor berbeda. Misalnya, Zhao et al. melaporkan studi detektor UV heterostruktur inti-kulit ZnO-Ga₂O₃, yang menunjukkan responsivitas dan detektivitas ultra-tinggi karena efek pengkalang lavin [12, 13]. Dalam karya ini, heterojuntung logam oksida berbeda, seperti NiO/β-Ga₂O₃, ditakrifkan untuk menyediakan detektor UV berkinerja tinggi. Pertama, ketidakcocokan jaringan β-Ga₂O₃ dan NiO relatif kecil. Juga, jarak band NiO lebih besar dari ZnO yang digunakan dalam studi sebelumnya. Perilaku tipe-p NiO dan β-Ga₂O₃ tipe-n telah menyebabkan beberapa laporan mengenai studi sifat listrik heterojuntung NiO/β-Ga₂O₃ untuk aplikasi elektronik daya [14]; namun, terdapat laporan terbatas mengenai penggunaan heterojuntung dalam detektor. Dalam studi ini, detektor UV berbasis NiO/β-Ga₂O₃ diproduksi dengan sputtering magnetron pada substrat transparan oksida timbal timah (ITO). Hasil menunjukkan bahwa detektor NiO/β-Ga₂O₃ menunjukkan sensitivitas yang baik terhadap cahaya UV (245 nm) dengan stabilitas yang baik.
Metode
Target keramik Ga₂O₃ dan NiO (99,99%) dibeli dari Zhongnuo Advanced Material (Beijing) Technology Co. Ltd. Substrat safir dengan bidang (0001) dibeli dari Beijing Physike Technology Co. Ltd. Substrat kuarsa dilapis ITO dibeli dari Beijing Jinji Aomeng Technology Co. Ltd. Semua reagen kimia yang digunakan dalam eksperimen digunakan tanpa pemurnian lebih lanjut.
Film β-Ga₂O₃ disiapkan dengan sputtering magnetron RF pada suhu kamir. Untuk karakterisasi, film disetorkan pada substrat safir dengan bidang (0001). Sebelum setoran, substrat dibersihkan basah dalam larutan campuran amonia, peroksida hidrogen, dan air deion (1:1:3) pada 80 °C selama 30 menit. Ini dicuci berulang dengan air deion dan dikeringkan menggunakan nitrogen untuk menghilangkan kotoran permukaan, yang akan meningkatkan keseragaman dan perekatan film pada substrat. Sputtering dilakukan pada tekanan 0,7 Pa dengan oksigen dan argon mengalir pada laju 5 dan 95 sccm, masing-masing. Daya sputtering 200 W digunakan selama 60 menit dalam setoran film. Akhirnya, film yang disetorkan dianilang di udara pada 800 °C (60 menit) dengan laju pemanasan 10 °C/min.
Struktur kristal film Ga₂O₃ ditakrifkan menggunakan difraksi X-ray (XRD, EMPYREAN) dan mikroskop elektron transmisi (TEM, JEM-2100). Spektra absorpsi film Ga₂O₃ pada substrat safir diukur dengan spektroskopi UV-Vis (iHR-320), yang juga memberikan estimasi jarak band optik film. Morfologi permukaan dan ketebalan film Ga₂O₃ yang disetorkan ditakrifkan menggunakan mikroskop gaya atom (AFM, SPA-400) dan mikroskop optik (LEICA DM 2700 M). Analisis elemen film Ga₂O₃ dilakukan dengan spektroskopi fotoelektron X-ray (XPS, K-Alpha+). Pengukuran arus-tegangan (J-V) pada detektor NiO/β-Ga₂O₃ dilakukan dengan meter sumber Keithley 2400. Semua pengukuran dilakukan pada suhu kamir.
Hasil dan Pembahasan
Gambar 1a menunjukkan pola XRD film Ga₂O₃ yang tumbuh pada bidang (0001) substrat safir sebelum dan setelah pengilang. Sebelum pengilang, film yang baru disetorkan menunjukkan keadaan amorf karena hanya dua puncak (tandai dengan “*”) yang terkait dengan substrat diamati dalam pola. Setelah pengilang film pada 800 °C, pola XRD menunjukkan enam puncak ciri yang sesuai dengan bidang kristal fasa β dari Ga₂O₃, yang termasuk sistem kristal monoklinik. Pola yang diamati konsisten dengan pekerjaan yang dilaporkan sebelumnya [15, 16]. Puncak ciri film β-Ga₂O₃ yang dianilang ini mengungkapkan kristalinitas yang baik dengan orientasi preferensialalong keluarga bidang kristal (2 01).
a Pola XRD film β-Ga₂O₃ yang disetorkan pada bidang (0001) substrat safir, dan puncak substrat safir ditandai dengan bintang (*). b Spektra absorpsi UV-Vis film β-Ga₂O₃. c Plot [α (hν)]2 versus energi foton. d–e Gambar TEM dan HRTEM film β-Ga₂O₃ setelah pengilang. f Gambar AFM film β-Ga₂O₃. g–h Gambar optik dan AFM di tepi langkah antara film dan substrat
Gambar 1d dan e adalah gambar TEM dan HRTEM film β-Ga₂O₃ setelah pengilang. Seperti yang ditunjukkan, jarak sisip jaringan bidang kristal (2 01), (400), dan (2 02) adalah 4,69 Å, 2,97 Å, dan 2,83 Å, masing-masing, yang lagi mengungkapkan kristalinitas yang baik dan sesuai dengan pekerjaan yang dilaporkan sebelumnya dalam literatur [17, 18].
Gambar AFM film β-Ga₂O₃ yang disetorkan pada substrat safir ditunjukkan pada Gambar 1f. Film yang baru disetorkan menunjukkan topografi permukaan granulat seragam dengan kekasaran permukaan RMS relatif kecil sebesar 1,36 nm. Setelah pengilang, kekasaran RMS film meningkat menjadi 1,68 nm. Peningkatan kekasaran RMS setelah pengilang juga dilaporkan oleh Hao et al [19]. Kemungkinan pengilang dapat mengakibatkan kekacauan struktur permukaan. Studi lebih lanjut diperlukan untuk memahami penyebab perubahan morfologi permukaan setelah pengilang. Gambar topografi AFM tepi langkah antara film dan substrat sebelum dan setelah pengilang ditunjukkan pada Gambar 1 g dan h, yang profil garis (di inset) menunjukkan ketebalan film 114 ± 6,4 nm dan 123 ± 2,0 nm (kenaikan sekitar 8%), masing-masing. Peningkatan ketebalan film dan RMS setelah pengilang kemungkinan karena transisi fasa dari amorf menjadi kristalinitas mengakibatkan pertumbuhan butir kristal nano.
Spektra absorpsi UV-Vis film β-Ga₂O₃ sebelum dan setelah pengilang ditunjukkan pada Gambar 1b. Keduafilm menunjukkan absorpsi UV yang kuat pada rentang 190–300 nm dan hampir tidak ada absorpsi pada band cahaya visible. Ini menunjukkan bahwa pengilang tidak memiliki efek signifikan terhadap tepi absorpsi. Ia hanya mengakibatkan perpindahan merah kecil sekitar 10 nm dengan peningkatan ringan pada puncak absorpsi. Eq. (1) dapat digunakan untuk memperkirakan energi jarak band optik (Eg) film.
di mana α adalah koefisien absorpsi, hν adalah energi foton, dan A adalah konstanta. Dengan mempertimbangkan ketebalan film yang diukur oleh AFM, Eg film yang baru disetorkan dan yang dianilang dapat ditentukan dari plot pada Gambar 1c, yang menunjukkan nilai 5,137 eV dan 5,135 eV, masing-masing. Nilai-nilai ini dekat dengan Eg teoretis 4,9 eV untuk β-Ga₂O₃.
Spektra XPS film β-Ga₂O₃ ditunjukkan pada Gambar 2. Gambar 2a–c dan d–f menunjukkan spektra XPS skan penuh, elemen Ga dan O sebelum dan setelah pengilang, masing-masing. Elemen C yang diamati dari skan penuh adalah karbon adventisius. Setelah pengilang, puncak C 1 s berkurang secara signifikan menunjukkan bahwa sebagian besar karbon dikeluarkan selama pengilang. Energi ikatan Ga3d pada Gambar 2 b dan e masing-masing adalah 21,14 eV dan 20,70 eV, yang sesuai dengan ikatan Ga-O sampel, dan energi ikatan setelah pengilang berkurang sebesar 0,44 eV. Puncak O 1 s dicocokkan dengan dua komponen yang terkait dengan rongga oksigen (OV) dan oksigen jaringan (OL). Rasio luas OV dan OL (misalnya, SOV:SOL) sebelum dan setelah pengilang adalah 0,47 dan 0,12, masing-masing. Ini menunjukkan peningkatan atom oksigen jaringan karena pengilang yang mengakibatkan kristalisasi saat atom oksigen bergerak ke situs jaringan yang sesuai.
Spektra XPS film β-Ga₂O₃. Skan survei, puncak inti Ga 3d, dan O1s yang diperoleh sebelum pengilang ditunjukkan pada a–c dan setelah pengilang ditunjukkan pada d–f, masing-masing
Detektor UV yang terdiri dari film β-Ga₂O₃ diproduksi. Struktur vertikal sederhana dirancang untuk detektor, yang terdiri dari ITO/NiO/Ga₂O₃/Al. Skema struktur perangkat ditunjukkan pada Gambar 3a. Lapisan NiO pertama kali disputter pada substrat kuarsa dilapis ITO setelah menerapkan prosedur pembersihan basah yang sama dengan substrat safir, dan persiapan serta karakterisasi detail film NiO ditunjukkan pada File Tambahan 1: Gambar S1 dan Gambar S2. Lapisan Ga₂O₃ kemudian disputter menggunakan parameter setoran yang disebutkan di atas. Heterojuntung yang disiapkan dianilang di udara pada 600 °C selama 30 menit untuk menghindari kerusakan pemanasan pada ITO (dengan pengetahuan bahwa β-Ga₂O₃ dapat terbentuk pada suhu pengilang di atas 550 °c), diikuti dengan setoran uap elektroda Al (2 × 2 mm²) pada permukaan film Ga₂O₃. Akhirnya, elektroda Al dan substrat ITO digunakan sebagai elektroda atas dan bawah, masing-masing.
a Skema diagram yang menunjukkan struktur perangkat yang terdiri dari ITO/NiO/β-Ga₂O₃/Al. b Diagram energi band detektor. c–d Kurva J-V dan log J-V yang diukur, masing-masing, detektor yang diiluminasi dengan cahaya panjang gelombang berbeda, dan dalam kondisi gelap. e–f Kurva J-V dan log J-V yang diukur, masing-masing, detektor di bawah iluminasi UV 245 nm dengan kekuatan cahaya berbeda. g–h Responsivitas (R) dan detektivitas (D*), masing-masing, detektor pada tegangan bias yang berbeda di bawah iluminasi cahaya 245 nm
Gambar 3b menunjukkan diagram energi band detektor. Kita menghitung Eg film NiO sesuai Eq. (1) seperti yang ditunjukkan pada File Tambahan 1: Gambar S3. Eg film NiO sekitar 3,4 eV setelah pengilang. Energi jarak band lebar lapisan β-Ga₂O₃ (5,1 eV) dan NiO (3,4 eV) responsif terhadap cahaya UV. Di bawah iluminasi UV (hν), elektron mendapatkan cukup energi untuk transisi ke band konduksi menghasilkan pasangan elektron-lubang. Pasangan elektron-lubang yang dihasilkan cahaya dipisahkan oleh medan listrik bawaan dan dikumpulkan oleh elektroda masing-masing. Di sini, heterostruktur dengan perataan band yang sesuai dapat memfasilitasi pemisahan dan pengumpulan muatan.
Kinerja detektor heterojuntung ditakrifkan dari plot J-V dan log J-V yang diukur, yang diperoleh dari perangkat insiden pencahayaan belakang. Gambar 3 c dan d menggambarkan kurva J-V dan log J-V detektor yang diiluminasi dengan cahaya panjang gelombang berbeda dan dalam kondisi gelap, masing-masing. Ketika detektor diiluminasi oleh cahaya UV 245 nm pada 27 μWcm−2, peningkatan drastis densitas arus, hingga 1,38 mAcm−2, diamati pada tegangan terap 10 V. Densitas arus juga meningkat ketika diiluminasi dengan cahaya UV 285 dan 365 nm. Namun, lebih banyak pasangan elektron-lubang dapat diangsung secara efektif oleh cahaya UV 245 nm dibandingkan dengan dua cahaya UV lainnya, menunjukkan deteksi UV dalam dari perangkat.
Kurva J-V dan log J-V detektor diukur di bawah iluminasi UV 245 nm dengan kekuatan cahaya yang bervariasi, seperti ditunjukkan pada Gambar 3 e dan f, masing-masing. Pengukuran dilakukan dalam kondisi gelap dan cahaya UV. Densitas arus meningkat dengan intensitas cahaya di bawah iluminasi UV 245 nm yang menunjukkan bahwa detektor memiliki kemampuan untuk menghasilkan arus cahaya sebagai respons terhadap cahaya UV 245 nm.
Efek tegangan bias terhadap responsivitas (R) perangkat ditunjukkan pada Gambar 3g. R terkait dengan densitas arus cahaya (Jph) sesuai Eq. (2) [5]:
$$ R={J}_{\mathrm{ph}}/{P}_{\mathrm{opt}} $$ (2)
di mana Popt adalah densitas daya foton yang memiliki nilai 1,5 mWcm−2. Peningkatan R terlihat dari Gambar 3g seiring peningkatan tegangan bias perangkat di bawah densitas daya foton tetap. R maksimum adalah 27,43 AW−1 yang diukur di bawah iluminasi 245 nm (27 μWcm−2) pada tegangan bias 10 V.
Detektivitas (D*) adalah parameter penting lainnya untuk mengevaluasi kinerja detektor. D* detektor dapat dihitung menggunakan Eq. (3) sebagai berikut [20, 21]:
di mana q adalah muatan elektron mutlak (1,602 × 10−19 C) dan Jd adalah densitas arus gelap. Hubungan antara D* dan tegangan bias ditunjukkan pada Gambar 3h, yang menunjukkan peningkatan D* seiring peningkatan tegangan bias. D* maksimum adalah 3,14 × 1012 cmHz1/2 W−1 yang diukur di bawah iluminasi 245 nm (27 μWcm−2) pada tegangan bias − 10 V. Berdasarkan nilai R dan D*, detektor NiO/β-Ga₂O₃ menunjukkan kinerja tinggi dalam deteksi UV, dibandingkan dengan detektor UV berbasis NiO dan Ga₂O₃ lainnya yang ditunjukkan pada Tabel 1.
Kesimpulan
Ringkasnya, film β-Ga₂O₃ disiapkan dengan sputtering magnetron RF dan menunjukkan kristalinitas yang baik setelah pengilang pada 800 °C. Material jarak band lebar menunjukkan absorpsi UV yang kuat pada rentang 190–300 nm. Detektor UV dalam berdasarkan heterostruktur NiO/β-Ga₂O₃ sangat sensitif terhadap cahaya UV 245 nm dengan responsivitas (R) dan detektivitas (D*) yang tinggi hingga masing-masing 27,43 AW−1 dan 3,14 × 1012 cmHz1/2 W−1. Dipercayakan bahwa kinerja detektor UV dapat ditingkatkan lebih lanjut melalui doping atau pengoptimalan struktur perangkat.
Ketersediaan Data dan Bahan
Kesimpulan yang dibuat dalam naskah ini didasarkan pada data (teks utama dan gambar) yang disajikan dan ditampilkan dalam makalah ini.
