Photodétecteur ultraviolet profond hautes performances basé sur l'hétérojonction NiO/β-Ga2O3

Contexte

Le développement de photodétecteurs ultraviolets (UV) a suscité de nombreux intérêts de recherche en raison de leurs applications étendues, telles que l'alerte aux missiles, l'analyse biochimique, les détections de flammes et d'ozone et les communications optiques. Par rapport aux semi-conducteurs SiC et GaN, les photodétecteurs UV basés sur des semi-conducteurs à oxyde métallique à large bande interdite offrent de nombreux avantages. Par exemple, les photodétecteurs à base d'oxyde métallique ne s'oxydent pas facilement et présentent une réponse sensible. De plus, ils sont faciles à utiliser et peuvent être de petite taille [1, 2]. Par conséquent, les oxydes métalliques à large bande interdite et leurs dispositifs ont beaucoup attiré l'attention de la recherche ces dernières années. A ce jour, les oxydes métalliques tels que ZnO [3,4,5], TiO₂ [6, 7], SnO₂ [8], NiO [9] et Ga₂ O₃ [10, 11] ont été étudiés pour être utilisés comme photodétecteurs UV haute performance. Parmi eux, la phase stable de Ga₂ O₃ (β-Ga₂ O₃ ) devient un matériau de prédilection pour les photodétecteurs UV car il s'agit d'un semi-conducteur à bande interdite directe avec une bande interdite ultra-large d'environ 4,9  eV qui répond efficacement à la bande UV. Le processus de croissance facile du matériau est un avantage supplémentaire.

Plusieurs groupes ont tenté d'améliorer les performances des photodétecteurs UV en développant des dispositifs à hétérojonction constitués de deux semi-conducteurs à oxyde métallique différents. Par exemple, Zhao et al. ont rapporté les études de ZnO-Ga₂ O₃ photodétecteurs UV à hétérostructure cœur-enveloppe, qui ont démontré une réactivité et une détectivité ultra-élevées en raison d'un effet multiplicateur d'avalanche [12, 13]. Dans ce travail, une hétérojonction d'oxyde métallique différente, telle que NiO/β-Ga₂ O₃ , a été étudiée pour fournir un photodétecteur UV haute performance. Premièrement, la non-concordance de réseau de β-Ga₂ O₃ et NiO est relativement petit. De plus, la bande interdite de NiO est plus grande que celle de ZnO utilisée dans l'étude précédente. Le comportement de type p du NiO et du β-Ga₂ de type n O₃ a conduit à plusieurs rapports sur les études des propriétés électriques de NiO/β-Ga₂ O₃ hétérojonction pour les applications d'électronique de puissance [14]; cependant, il existe un rapport limité sur l'utilisation de l'hétérojonction dans le photodétecteur. Dans cette étude, le NiO/β-Ga₂ O₃ Le photodétecteur UV a été produit par pulvérisation magnétron sur un substrat transparent d'oxyde d'étain et d'indium (ITO). Les résultats ont montré que le NiO/β-Ga₂ O₃ photodétecteur a présenté une excellente sensibilité à la lumière UV (245 nm) avec une bonne stabilité.

Méthodes

Ga₂ O₃ et les cibles en céramique NiO (99,99 %) ont été achetées auprès de Zhongnuo Advanced Material (Beijing) Technology Co. Ltd. Le substrat en saphir avec plan (0001) a été acheté auprès de Beijing Physike Technology Co. Ltd. Le substrat en quartz recouvert d'ITO a été acheté auprès de Beijing Jinji Aomeng Technology Co. Ltd. Tous les réactifs chimiques utilisés dans les expériences ont été utilisés sans autre purification.

-Ga₂ O₃ Le film a été préparé par pulvérisation cathodique magnétron RF à température ambiante. Pour la caractérisation, le film a été déposé sur un substrat de saphir avec un plan (0001). Avant le dépôt, le substrat a été nettoyé à l'eau dans une solution mélangée d'eau ammoniacale, de peroxyde d'hydrogène et d'eau déminéralisée (1:1:3) à 80 °C pendant 30 min. Il a été rincé à plusieurs reprises avec de l'eau déminéralisée et séché à l'aide d'azote pour éliminer l'encrassement de la surface, ce qui améliorerait l'uniformité et l'adhérence du film sur le substrat. La pulvérisation cathodique a été réalisée à une pression de 0,7 Pa avec de l'oxygène et de l'argon circulant à un débit de 5 et 95 sccm, respectivement. Une puissance de pulvérisation cathodique de 200µW a été utilisée pendant une durée de 60µmin dans le dépôt du film. Enfin, le film déposé a été recuit sous air à 800°C (60 min) à une vitesse de chauffe de 10 °C/min.

Structure cristalline du Ga₂ O₃ film a été étudié en utilisant la diffraction des rayons X (XRD, EMPYREAN) et le microscope électronique à transmission (TEM, JEM-2100). Spectres d'absorption du Ga₂ O₃ film sur substrat saphir ont été mesurés par spectroscopie UV-Vis (iHR-320), qui a également fourni une estimation de la bande interdite optique du film. La morphologie de surface et l'épaisseur du Ga₂ déposé O₃ Les films ont été caractérisés au microscope à force atomique (AFM, SPA-400) et au microscope optique (LEICA DM 2700 M). Analyse élémentaire du Ga₂ O₃ film a été réalisé par spectroscopie photoélectronique aux rayons X (XPS, K-Alpha+). Courant-tension (J -V ) mesure sur le NiO/β-Ga₂ O₃ photodétecteur a été réalisée avec un compteur source Keithley 2400. Toutes les mesures ont été effectuées à température ambiante.

Résultats et discussion

La figure 1a montre les modèles XRD du Ga₂ O₃ film développé sur (0001) plan de substrat de saphir avant et après recuit. Avant recuit, le film tel que déposé présentait un état amorphe car seuls deux pics (marqués par « * ») associés au substrat ont été observés dans le motif. Après recuit du film à 800 °C, le motif XRD a montré six pics caractéristiques correspondant aux plans cristallins de la phase de Ga₂ O₃ , qui appartient au système cristallin monoclinique. Le schéma observé est cohérent avec les travaux précédemment rapportés [15, 16]. Ces pics caractéristiques du -Ga₂ recuit O₃ le film a révélé une bonne cristallinité avec une orientation préférentielle le long de la famille des plans cristallins (\( \overline{2} \) 01).

un Modèles XRD du -Ga₂ O₃ film déposé sur le plan substrat saphir (0001), et les pics du substrat saphir sont marqués comme des astérisques (*). b Spectres d'absorption UV-Vis du -Ga₂ O₃ film. c Parcelles de [α (hν )] ² contre l'énergie des photons. d–e Images TEM et HRTEM du -Ga₂ O₃ film après recuit. f Images AFM du -Ga₂ O₃ film. g–h Images optiques et AFM au bord du pas entre le film et le substrat

Les figures 1d et e sont des images MET et HRTEM du -Ga₂ O₃ film après recuit. Comme indiqué, l'espacement des franges du réseau des plans cristallins (\( \overline{2} \) 01), (400) et (\( \overline{2} \) 02) était de 4,69 Å, 2,97 Å et 2,83 Å , respectivement, ce qui suggère à nouveau une bonne cristallinité et est en bon accord avec les travaux précédemment rapportés dans la littérature [17, 18].

Image AFM du -Ga₂ O₃ Le film déposé sur un substrat de saphir est illustré à la Fig. 1f. Le film tel que déposé présentait une topographie de surface granulaire uniforme avec une rugosité de surface de la moyenne quadratique (RMS) relativement faible de 1,36  nm. Après recuit, la rugosité RMS du film a augmenté jusqu'à 1,68  nm. Une telle augmentation de la rugosité RMS après recuit a également été rapportée par Hao et al [19]. Il est possible que le traitement de recuit entraîne des défauts structurels de surface. D'autres études sont nécessaires pour comprendre la cause du changement de morphologie de surface après le recuit. Les images de topographie AFM du bord de l'escalier entre le film et le substrat avant et après le recuit sont montrées sur les Fig. 1 g et h, dont les profils de ligne (dans l'encart) indiquaient une épaisseur de film de 114 ± 6,4 nm et 123 ± 2,0 nm ( environ 8 % d'augmentation), respectivement. L'augmentation de l'épaisseur du film et de la RMS après recuit pourrait être due au fait que la transition de phase de l'amorphe à la cristallinité conduit à la croissance des grains de nanocristaux.

Spectres d'absorption UV-Vis du -Ga₂ O₃ les films avant et après recuit sont montrés sur la Fig. 1b. Les deux films présentaient une forte absorption UV dans la gamme de 190 à 300  nm et presque aucune absorption dans la bande de lumière visible. Cela a montré que le traitement de recuit n'avait pas d'effet significatif sur le bord d'absorption. Cela n'a entraîné qu'un petit décalage vers le rouge d'environ 10 nm avec une légère amélioration du pic d'absorption. Éq. (1) peut être utilisé pour estimer l'énergie de la bande interdite optique (E g) du film.

où α est le coefficient d'absorption, hν est l'énergie du photon, et A est une constante. Compte tenu des épaisseurs de film mesurées par l'AFM, le E g des films tels que déposés et recuits peuvent être déterminés à partir des tracés de la figure 1c, qui indiquaient une valeur de 5,137  eV et 5,135  eV, respectivement. Ces valeurs sont proches des E théoriques g de 4,9 eV pour β-Ga₂ O₃ .

Spectres XPS du -Ga₂ O₃ film sont montrés sur la figure 2. Les figures 2a–c et d–f montrent les spectres XPS du balayage complet, des éléments Ga et O avant et après le recuit, respectivement. L'élément C observé à partir du balayage complet était du carbone adventice. Après recuit, le pic C 1 s a été réduit de manière significative, indiquant que la plupart du carbone a été éliminé pendant le traitement de recuit. L'énergie de liaison de Ga3d sur les figures 2 b et e correspond respectivement à 21,14 eV et 20,70 eV, ce qui correspond à la liaison Ga-O des échantillons, et l'énergie de liaison après recuit est réduite de 0,44 eV. Les pics O 1 s ont été équipés de deux composantes associées aux lacunes en oxygène (O_V ) et l'oxygène du réseau (O_L ). Les rapports de surface de O_V et O_L (par exemple, S_OV :S_OL) avant et après recuit étaient respectivement de 0,47 et 0,12. Cela suggère une augmentation des atomes d'oxygène du réseau en raison du traitement de recuit conduisant à la cristallisation lorsque les atomes d'oxygène se déplacent vers leurs sites de réseau appropriés.

Spectres XPS du -Ga₂ O₃ film. Les pics de niveau de base de balayage, Ga 3d et O1s acquis avant le recuit sont affichés dans a–c et après recuit sont indiqués dans d–f , respectivement

Un photodétecteur UV composé du β-Ga₂ O₃ le film a été fabriqué. Une structure verticale simple a été conçue pour le photodétecteur, qui comprenait ITO/NiO/Ga₂ O₃ /Al. Un diagramme schématique de la structure de l'appareil est illustré à la Fig. 3a. Une couche de NiO a d'abord été pulvérisée sur un substrat de quartz recouvert d'ITO après avoir appliqué les mêmes procédures de nettoyage humide que le substrat de saphir, et la préparation et les caractérisations détaillées du film de NiO ont été présentées dans le fichier supplémentaire 1 :Figure S1 et Figure S2. Ga₂ O₃ couche a ensuite été pulvérisée en utilisant les paramètres de dépôt mentionnés ci-dessus. L'hétérojonction préparée a été recuite dans l'air à 600 °C pendant 30 min pour éviter d'endommager l'ITO par le chauffage (en sachant que β-Ga₂ O₃ peut être formé à une température de recuit supérieure à 550 °C), suivi d'un dépôt en phase vapeur d'électrodes en Al (2 × 2 mm ² ) à la surface de Ga₂ O₃ film. Enfin, les électrodes en Al et le substrat ITO ont été utilisés respectivement comme électrodes supérieure et inférieure.

un Diagramme schématique montrant la structure de l'appareil consistant en ITO/NiO/β-Ga₂ O₃ /Al. b Diagramme de bande d'énergie du photodétecteur. c–d Mesuré J-V et enregistrez J-V courbes, respectivement, du photodétecteur éclairé avec une lumière de différentes longueurs d'onde, et dans des conditions sombres. e–f Mesuré J-V et enregistrez J-V courbes, respectivement, du photodétecteur sous une illumination UV de 245 nm avec une densité de puissance différente. g–h Réactivité (R ) et la détectivité (D *), respectivement, du photodétecteur à différentes tensions de polarisation sous un éclairage lumineux de 245  nm

La figure 3b montre le diagramme de bande d'énergie du photodétecteur. Nous avons calculé le E g de film NiO selon l'Eq. (1) comme indiqué dans le fichier supplémentaire 1 :Figure S3. Le E g de film NiO est d'environ 3,4 eV après recuit. L'énergie à large bande interdite du -Ga₂ O₃ (5.1 eV) et NiO (3.4 eV) sont sensibles à la lumière UV. Sous éclairage UV (hν ), les électrons gagnent suffisamment d'énergie pour transiter dans la bande de conduction générant des paires électron-trou. Ces paires électron-trou photogénérées ont été séparées par le champ électrique intégré et collectées par les électrodes respectives. Ici, l'hétérostructure avec un alignement de bande approprié peut faciliter la séparation et la collecte des charges.

Les performances du photodétecteur à hétérojonction ont été étudiées à partir du J mesuré -V et enregistrez J -V tracés, qui ont été acquis à partir du dispositif incident de rétroéclairage. Les figures 3 c et d illustrent le J -V et enregistrez J -V courbes du photodétecteur éclairées avec des lumières de différentes longueurs d'onde et dans l'obscurité, respectivement. Lorsque le photodétecteur a été éclairé par une lumière UV de 245 nm à 27 μWcm ⁻² , une augmentation drastique d'une densité de courant, jusqu'à 1,38 mAcm ⁻² , a été observée à une tension appliquée de 10   V. La densité de courant augmente également lorsqu'elle est éclairée par des lampes UV de 285 et 365  nm. Cependant, davantage de paires électron-trou peuvent être efficacement excitées par la lumière UV de 245  nm par rapport aux deux autres lampes UV, ce qui montre la détection UV profonde de l'appareil.

J -V et enregistrez J -V les courbes du photodétecteur ont été mesurées sous une illumination UV de 245 nm avec une densité de puissance variable, comme le montrent les Fig. 3 e et f, respectivement. Les mesures ont été effectuées dans des conditions d'obscurité et de lumière UV. La densité de courant augmente avec l'intensité lumineuse sous un éclairage UV de 245 nm, ce qui suggère que le photodétecteur a la capacité de générer un photocourant en réponse à une lumière UV de 245  nm.

L'effet de la tension de polarisation sur la réactivité (R ) de l'appareil est illustré à la Fig. 3g. R est liée à la densité de photocourant (J _ph ) selon l'éq. (2) [5] :

où P _option est la densité de puissance des photons ayant une valeur de 1,5 mWcm ⁻² . Une augmentation de R était évident à partir de la figure 3g lorsque la tension de polarisation de l'appareil augmente sous une densité de puissance photonique fixe. Le R maximal était de 27,43 AW ⁻¹ mesuré sous un éclairage de 245 nm (27 μWcm ⁻² ) à la tension de polarisation de 10 V.

Détective (D *) est un autre paramètre important pour évaluer les performances des photodétecteurs. D * du photodétecteur peut être calculé à l'aide de l'Eq. (3) comme suit [20, 21] :

où q est la charge électronique absolue (1.602 × 10 ⁻¹⁹ C) et J _d est la densité de courant d'obscurité. La relation entre D * et la tension de polarisation est indiquée sur la figure 3h, qui montre une augmentation de D * à mesure que la tension de polarisation augmente. Le D maximal * était de 3,14 × 10 ¹² cmHz ^1/2 W ⁻¹ mesuré sous un éclairage de 245 nm (27 μWcm ⁻² ) à la tension de polarisation de − 10 V. Sur la base des valeurs de R et D *, le NiO/β-Ga₂ O₃ le photodétecteur a démontré des performances élevées dans la détection UV, par rapport à d'autres à base de NiO et de Ga₂ O₃ - détecteurs d'UV indiqués dans le tableau 1.

Conclusions

En conclusion, -Ga₂ O₃ Le film a été préparé par pulvérisation cathodique magnétron RF et a présenté une bonne cristallinité après recuit à 800°C. Le matériau à large bande interdite a révélé une forte absorption UV dans la plage de 190 à 300  nm. Le photodétecteur UV profond à base de NiO/β-Ga₂ O₃ l'hétérostructure était très sensible à la lumière UV de 245  nm avec une réactivité élevée (R ) et la détectivité (D *) jusqu'à 27,43 AW ⁻¹ et 3,14 × 10 ¹² cmHz ^1/2 W ⁻¹ , respectivement. On pense que les performances du photodétecteur UV peuvent être encore améliorées en dopant ou en optimisant la structure du dispositif.

Disponibilité des données et des matériaux

Les conclusions tirées dans ce manuscrit sont basées sur les données (texte principal et figures) présentées et montrées dans cet article.

Abréviations

AFM :

Microscope à force atomique

ITO :

Oxyde d'indium-étain

TEM :

Microscope électronique à transmission

UV :

Ultraviolet

XPS :

Spectroscopie photoélectronique aux rayons X

XRD :

Diffraction des rayons X