Detektor Foto Ultraviolet Dalam Berperforma Tinggi Berdasarkan Heterojunction NiO/β-Ga2O3

Hasil dan Diskusi

Gambar 1a menunjukkan pola XRD dari Ga₂ O₃ film tumbuh di (0001) bidang substrat safir sebelum dan sesudah anil. Sebelum anil, film yang diendapkan menunjukkan keadaan amorf karena hanya dua puncak (ditandai sebagai "*") yang terkait dengan substrat yang diamati dalam pola. Setelah anil film pada 800 °C, pola XRD menunjukkan enam puncak karakteristik yang sesuai dengan bidang kristal fase Ga₂ O₃ , yang termasuk dalam sistem kristal monoklinik. Pola yang diamati konsisten dengan pekerjaan yang dilaporkan sebelumnya [15, 16]. Puncak karakteristik dari -Ga₂ . yang dianil ini O₃ film mengungkapkan kristalinitas yang baik dengan orientasi preferensial di sepanjang keluarga bidang kristal (\( \overline{2} \) 01).

a Pola XRD dari -Ga₂ O₃ film diendapkan pada bidang substrat safir (0001), dan puncak substrat safir ditandai sebagai tanda bintang (*). b Spektrum serapan UV-Vis dari -Ga₂ O₃ film. c Plot [α (hν )] ² dibandingkan energi foton. d–e Gambar TEM dan HRTEM dari -Ga₂ O₃ film setelah anil. f Gambar AFM dari -Ga₂ O₃ film. g–h Gambar optik dan AFM di tepi langkah antara film dan substrat

Gambar 1d dan e adalah gambar TEM dan HRTEM dari -Ga₂ O₃ film setelah anil. Seperti yang ditunjukkan, jarak tepi kisi bidang kristal (\( \overline{2} \) 01), (400), dan (\( \overline{2} \) 02) adalah 4,69 Å, 2,97 Å, dan 2,83 Å , masing-masing, yang sekali lagi menunjukkan kristalinitas yang baik dan sesuai dengan penelitian yang dilaporkan sebelumnya dalam literatur [17, 18].

Gambar AFM dari -Ga₂ O₃ film yang diendapkan pada substrat safir ditunjukkan pada Gambar 1f. Film yang diendapkan menunjukkan topografi permukaan granular yang seragam dengan kekasaran permukaan root-mean-square (RMS) yang relatif kecil yaitu 1,36 nm. Setelah anil, kekasaran RMS film meningkat menjadi 1,68 nm. Peningkatan kekasaran RMS tersebut setelah anil juga dilaporkan oleh Hao et al [19]. Ada kemungkinan bahwa perlakuan anil dapat mengakibatkan cacat struktural permukaan. Studi lebih lanjut diperlukan untuk memahami penyebab perubahan morfologi permukaan setelah anil. Gambar topografi AFM dari step edge antara film dan substrat sebelum dan sesudah anil ditunjukkan pada Gambar 1 g dan h, di mana profil garis (dalam inset) menunjukkan ketebalan film 114 ± 6.4 nm dan 123 ± 2.0 nm ( sekitar 8% meningkat), masing-masing. Peningkatan ketebalan film dan RMS setelah annealing bisa jadi bahwa transisi fase dari amorf ke kristalinitas mengarah pada pertumbuhan butir nanokristal.

Spektrum serapan UV-Vis dari -Ga₂ O₃ film sebelum dan sesudah anil ditunjukkan pada Gambar 1b. Kedua film menunjukkan penyerapan UV yang kuat dalam kisaran 190-300 nm dan hampir tidak ada penyerapan pada pita cahaya tampak. Hal ini menunjukkan bahwa perlakuan annealing tidak berpengaruh nyata terhadap tepi serapan. Itu hanya menghasilkan pergeseran merah kecil sekitar 10 nm dengan sedikit peningkatan pada puncak penyerapan. persamaan (1) dapat digunakan untuk memperkirakan energi celah pita optik (E g) dari film tersebut.

dimana α adalah koefisien penyerapan, hν adalah energi foton, dan A adalah sebuah konstanta. Dengan mempertimbangkan ketebalan film yang diukur dengan AFM, E g dari film yang diendapkan dan dianil dapat ditentukan dari plot pada Gambar 1c, yang menunjukkan nilai masing-masing 5.137 eV dan 5.135 eV. Nilai-nilai ini mendekati teori E g sebesar 4,9 eV untuk -Ga₂ O₃ .

Spektrum XPS dari -Ga₂ O₃ film ditunjukkan pada Gambar. 2. Gambar 2a–c dan d–f menunjukkan spektrum XPS dari pemindaian penuh, elemen Ga dan O masing-masing sebelum dan setelah anil. Unsur C yang diamati dari pemindaian penuh adalah karbon adventif. Setelah anil, puncak C1 berkurang secara signifikan yang menunjukkan bahwa sebagian besar karbon telah dihilangkan selama perawatan anil. Energi ikat Ga3d pada Gambar. 2 b dan e masing-masing sesuai dengan 21,14 eV dan 20,70 eV, yang sesuai dengan ikatan Ga-O sampel, dan energi ikat setelah anil berkurang 0,44 eV. Puncak O 1 dilengkapi dengan dua komponen yang terkait dengan kekosongan oksigen (O_V ) dan oksigen kisi (O_L ). Rasio luas O_V dan O_L (mis., S_OV :S_OL) sebelum dan sesudah anil adalah 0,47 dan 0,12, masing-masing. Hal ini menunjukkan peningkatan atom oksigen kisi karena perlakuan anil yang mengarah ke kristalisasi saat atom oksigen pindah ke lokasi kisi yang sesuai.

Spektrum XPS dari -Ga₂ O₃ film. Pemindaian survei, Ga 3d, dan puncak level inti O1 yang diperoleh sebelum anil ditunjukkan dalam a–c dan setelah anil ditunjukkan dalam d–f , masing-masing

Fotodetektor UV yang terdiri dari -Ga₂ O₃ film dibuat. Struktur vertikal sederhana dirancang untuk fotodetektor, yang terdiri dari ITO/NiO/Ga₂ O₃ /Al. Diagram skematis dari struktur perangkat ditunjukkan pada Gambar. 3a. Lapisan NiO pertama kali disemprotkan pada substrat kuarsa berlapis ITO setelah menerapkan prosedur pembersihan basah yang sama seperti substrat safir, dan preparasi detail serta karakterisasi film NiO ditunjukkan di File tambahan 1:Gambar S1 dan Gambar S2. Ga₂ O₃ lapisan kemudian tergagap menggunakan parameter deposisi yang disebutkan di atas. Heterojunction yang telah disiapkan dianil di udara pada 600 °C selama 30 menit untuk menghindari kerusakan akibat pemanasan pada ITO (dengan pengetahuan bahwa -Ga₂ O₃ dapat terbentuk pada suhu annealing di atas 550 °C), diikuti dengan pengendapan uap elektroda Al (2 × 2 mm ² ) di permukaan Ga₂ O₃ film. Terakhir, elektroda Al dan substrat ITO masing-masing digunakan sebagai elektroda atas dan bawah.

a Diagram skema yang menunjukkan struktur perangkat yang terdiri dari ITO/NiO/β-Ga₂ O₃ /Al. b Diagram pita energi dari fotodetektor. c–d Terukur J-V dan log J-V kurva, masing-masing, dari fotodetektor yang disinari dengan cahaya dengan panjang gelombang berbeda, dan dalam kondisi gelap. e–f Terukur J-V dan log J-V kurva, masing-masing, dari fotodetektor di bawah iluminasi UV 245 nm dengan kerapatan daya yang berbeda. g–h Responsivitas (R ) dan deteksi (D *), masing-masing, dari fotodetektor pada tegangan bias yang berbeda di bawah iluminasi cahaya 245 nm

Gambar 3b menunjukkan diagram pita energi dari fotodetektor. Kami menghitung E g film NiO menurut Persamaan. (1) seperti yang ditunjukkan pada File tambahan 1:Gambar S3. E g film NiO sekitar 3,4 eV setelah anil. Energi celah pita lebar -Ga₂ O₃ Lapisan (5.1 eV) dan NiO (3.4 eV) responsif terhadap sinar UV. Di bawah iluminasi UV (hν ), elektron memperoleh energi yang cukup untuk transit ke pita konduksi yang menghasilkan pasangan lubang elektron. Pasangan lubang elektron fotogenerasi ini dipisahkan oleh medan listrik bawaan dan dikumpulkan oleh masing-masing elektroda. Di sini, heterostruktur dengan penyelarasan pita yang sesuai dapat memfasilitasi pemisahan dan pengumpulan muatan.

Kinerja fotodetektor heterojungsi dipelajari dari pengukuran J -V dan masuk J -V plot, yang diperoleh dari perangkat insiden lampu latar. Gambar 3 c dan d mengilustrasikan J -V dan masuk J -V kurva dari fotodetektor diterangi dengan lampu panjang gelombang yang berbeda dan dalam kondisi gelap, masing-masing. Saat fotodetektor disinari oleh sinar UV 245 nm pada 27 μWcm ⁻² , peningkatan drastis kerapatan arus, hingga 1,38 mAcm ⁻² , diamati pada tegangan yang diterapkan 10 V. Kerapatan arus juga meningkat ketika diterangi dengan lampu UV 285 dan 365 nm. Namun, lebih banyak pasangan elektron-hole yang dapat dieksitasi secara efektif oleh sinar UV 245 nm dibandingkan dengan dua lampu UV lainnya, yang menunjukkan deteksi UV mendalam pada perangkat.

J -V dan masuk J -V kurva dari fotodetektor diukur di bawah iluminasi UV 245 nm dengan kepadatan daya yang bervariasi, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3 e dan f, masing-masing. Pengukuran dilakukan pada kondisi gelap dan cahaya UV. Kepadatan arus meningkat dengan intensitas cahaya di bawah iluminasi UV 245 nm yang menunjukkan bahwa fotodetektor memiliki kemampuan untuk menghasilkan arus foto sebagai respons terhadap sinar UV 245 nm.

Pengaruh tegangan bias pada responsivitas (R ) perangkat ditunjukkan pada Gambar. 3g. R terkait dengan kerapatan arus foto (J _ph ) menurut Persamaan. (2) [5]:

dimana P _memilih adalah rapat daya foton yang memiliki nilai 1,5 mWcm ⁻² . Peningkatan R terbukti dari Gbr. 3g sebagai tegangan bias perangkat meningkat di bawah kepadatan daya foton tetap. Maksimum R adalah 27,43 AW ⁻¹ diukur di bawah iluminasi 245 nm (27 μWcm ⁻² ) pada tegangan bias 10 V.

Detektif (D *) adalah parameter penting lainnya untuk mengevaluasi kinerja fotodetektor. A * dari fotodetektor dapat dihitung menggunakan Persamaan. (3) sebagai berikut [20, 21]:

dimana q adalah muatan elektron mutlak (1.602 × 10 ⁻¹⁹ C) dan J _d adalah rapat arus gelap. Hubungan antara D * dan tegangan bias ditunjukkan pada Gambar. 3h, yang menunjukkan peningkatan D * saat tegangan bias meningkat. Maksimum D * tadinya 3,14 × 10 ¹² cmHz ^1/2 W ⁻¹ diukur di bawah iluminasi 245 nm (27 μWcm ⁻² ) pada tegangan bias 10 V. Berdasarkan nilai R dan D *, NiO/β-Ga₂ O₃ photodetektor menunjukkan kinerja tinggi dalam deteksi UV, dibandingkan dengan berbasis NiO lainnya dan Ga₂ O₃ -detektor UV yang ditunjukkan pada Tabel 1.