Alignement des bandes d'énergie dans les hétérojonctions ZnO/β‑Ga₂O₃ (sur 2 01) déposées par ALD révélé par XPS

Résumé

Nous avons étudié l'alignement des bandes des hétérojonctions ZnO/β-Ga₂O₃ (sur 2 01) en utilisant la spectroscopie photoélectronique aux rayons X (XPS). Des films ZnO déposés par dépôt de couches atomiques (ALD) ont été cultivés à 150 °C, 200 °C et 250 °C. Toutes les interfaces exhibaient un alignement de type I. Le décalage de bande de conduction (CBO) augmentait de 1,26 eV à 1,47 eV à mesure que la température de croissance augmentait, tandis que le décalage de bande de valence (VBO) diminuait de 0,20 eV à 0,01 eV. La hausse du CBO est attribuée aux interstitiels Zn, tandis que la réduction du VBO provient du complexe accepteur V_Zn + OH. Ces insights fournissent une base quantitative pour l'ingénierie d'hétérostructures ZnO/β-Ga₂O₃ dans l'électronique de puissance haute tension.

Introduction

L'oxyde de gallium (Ga₂O₃) émerge comme semi-conducteur à bande interdite ultra-large (UWBG) de premier plan pour dispositifs de puissance de prochaine génération, grâce à sa bande interdite de 4,5–4,9 eV, stabilité thermique exceptionnelle et champ de rupture de 8 MV cm⁻¹ surpassant SiC et GaN. Parmi ses polymorphes, le β-Ga₂O₃ monoclinique offre la plus haute résilience thermique et une mobilité électronique volumique d'environ 100 cm² V⁻¹ s⁻¹, le rendant attractif pour photodétecteurs solaires-aveugles et MOSFET. Néanmoins, obtenir des contacts ohmiques à faible résistance reste difficile, et l'insertion d'une couche semi-conductrice intermédiaire (ISL) à haute concentration électronique s'est avérée efficace pour atténuer les barrières d'interface. L'oxyde de zinc (ZnO) est un candidat ISL convaincant : il a une bande interdite de 3,3 eV, une haute énergie de liaison d'exciton (60 meV) et une concentration électronique excédant 10¹⁹ cm⁻³. Le désaccord de maille avec β-Ga₂O₃ est sous 5 %, réduisant la contrainte. Les méthodes de dépôt traditionnelles — hydrothermale et CVD — souffrent soit de croissance lente, soit de températures au-dessus de 900 °C, limitant l'intégration de dispositifs. Le dépôt de couches atomiques (ALD), cependant, offre un contrôle d'épaisseur sous-nanométrique, une excellente couverture en escalier et des températures de dépôt basses, le rendant idéal pour fabriquer des films ZnO de haute qualité sur β-Ga₂O₃. Malgré des prédictions théoriques des décalages de bande ZnO/β-Ga₂O₃, la détermination expérimentale manquait. Cette étude comble ce vide en mesurant l'alignement de bandes de ZnO cultivé par ALD sur β-Ga₂O₃ et examinant la dépendance en température des décalages.

Méthodes

Substrats β-Ga₂O₃ (sur 2 01) dopés Sn (≈3 × 10¹⁸ cm⁻³) découpés en pièces 6 × 6 mm². Ils ont été nettoyés séquentiellement dans acétone et isopropanol (10 min chacun, ultrasons), suivis de rinçage eau déionisée. Les substrats ont été chargés dans un réacteur ALD Wuxi MNT Micro-Nanotech. Films ZnO (5 nm et 40 nm) déposés à 150 °C, 200 °C et 250 °C utilisant précurseurs Zn(C₂H₅)₂ (DEZ) et H₂O. Taux de croissance ~1,6 Å cycle⁻¹. Épaisseurs vérifiées par ellipsomètre Sopra GES-5E. Échantillon 40 nm ZnO/β-Ga₂O₃ servait de standard bulk, tandis que 5 nm ZnO/β-Ga₂O₃ utilisé pour détermination décalages de bande ; β-Ga₂O₃ nu comme contrôle. Mesures XPS (AXIS Ultra DLD, Shimadzu) effectuées avec pas 0,05 eV, après gravure Ar 3 min à 2 kV pour enlever contamination de surface. Tous spectres calibrés sur pic C 1s à 284,8 eV. Maxima de bande de valence (VBM) extraits par extrapolation linéaire du bord d'attaque. Spectres de transmittance UV-VIS (Lambda 750, PerkinElmer) enregistrés pour déterminer bandes interdites optiques via analyse Tauc.

Résultats et discussion

La Figure 1 montre les graphiques Tauc (αhv)¹/² versus énergie photonique pour β-Ga₂O₃ bulk et ZnO cultivé à 200 °C. Les bandes interdites optiques extraites sont 4,65 eV pour β-Ga₂O₃ et 3,20 eV pour ZnO, cohérentes avec la littérature.

Figure 1. (a) (αhv)¹/² versus énergie photonique pour ZnO sur quartz ; (b) pour β-Ga₂O₃ sur substrat. Encarts montrent spectres de transmission correspondants.

Le VBO a été calculé en utilisant la méthode de Kraut :

$$\Delta E_V = (E_{Ga2p}^{Ga_2O_3} - E_{VBM}^{Ga_2O_3}) - (E_{Zn2p}^{ZnO} - E_{VBM}^{ZnO}) - (E_{Ga2p}^{Ga_2O_3} - E_{Zn2p}^{ZnO})$$

Les spectres de niveaux de cœur (Figure 2) révèlent des pics Zn 2p et Ga 2p symétriques, confirmant liaison uniforme. Le pic Zn 2p à 1021,09 eV et le pic Ga 2p à 1117,78 eV correspondent aux liaisons Zn-O et Ga-O respectivement. Valeurs VBM de 2,11 eV (ZnO) et 2,74 eV (β-Ga₂O₃) obtenues par extrapolation linéaire. En appliquant l'Éq. (1) donne un VBO de 0,06 eV.

Figure 2. Spectres XPS haute résolution de (a) Zn 2p et VBM (40 nm ZnO/β-Ga₂O₃), (b) Ga 2p et VBM (β-Ga₂O₃ nu), et (c) Ga 2p/Zn 2p (5 nm ZnO/β-Ga₂O₃).

Le CBO découle de :

$$\Delta E_C = E_g^{Ga_2O_3} - E_g^{ZnO} - \Delta E_V$$

Le diagramme de bandes résultant (Figure 3) confirme un alignement type I, avec bandes de conduction et valence ZnO entièrement imbriquées dans la bande interdite β-Ga₂O₃.

Figure 3. Schéma de l'alignement de bandes de l'hétérojonction ZnO (200 °C)/β-Ga₂O₃.

Pour évaluer les effets de température, des films ZnO ont aussi été cultivés à 150 °C et 250 °C. Spectres O 1s haute résolution (Figure 4) déconvolués en composants Zn-O, lacunes d'oxygène et –OH. La fraction de lacunes d'oxygène augmentait de 10,7 % à 15,0 % à mesure que la température montait, tandis que –OH diminuait de 5,1 % à 1,9 %. Ces tendances reflètent une décomposition précurseur améliorée et réactions de surface plus complètes à températures plus élevées.

Figure 4. Spectres XPS O 1s haute résolution des films ZnO à (a) 150 °C, (b) 200 °C, et (c) 250 °C.

La Figure 5 résume la dépendance en température des décalages. Le CBO augmente de 1,26 eV à 1,47 eV, principalement dû aux interstitiels Zn accrus qui décalent le minimum de bande de conduction (CBM). Inversement, le VBO chute de 0,20 eV à 0,01 eV à mesure que la température augmente, attribué à l'influence diminuante du complexe accepteur V_Zn + OH, plus prévalent à basses températures. Ainsi, un dépôt ZnO à plus basse température est avantageux comme couche semi-conductrice intermédiaire pour abaisser les barrières électroniques à l'interface dans les dispositifs de puissance β-Ga₂O₃.

Figure 5. Décalages de bande de conduction et valence des hétérojonctions ZnO/β-Ga₂O₃ déposées par ALD en fonction de la température de croissance.

Conclusions

Le ZnO déposé par couches atomiques sur β-Ga₂O₃ (sur 2 01) exhibe un clair alignement de type I. À mesure que la température de croissance ZnO augmente de 150 °C à 250 °C, le CBO croît de 1,26 eV à 1,47 eV, tandis que le VBO diminue de 0,20 eV à 0,01 eV. Ces tendances sont gouvernées par la chimie des défauts dépendante de la température — les interstitiels Zn élèvent le CBO, tandis que le complexe V_Zn + OH abaisse le VBO. Un dépôt ZnO à plus basse température est donc avantageux comme couche semi-conductrice intermédiaire pour abaisser les hauteurs de barrière électroniques dans les dispositifs de puissance basés sur β-Ga₂O₃.

Abréviations

ALD

Dépôt de couches atomiques

CBM

Minimum de bande de conduction

CBO

Décalage de bande de conduction

CVD

Dépôt chimique en phase vapeur

DEZ

Zn(C₂H₅)₂

Ga₂O₃

Oxyde de gallium

GaN

Nitrure de gallium

ISL

Couche semi-conductrice intermédiaire

MOSFETs

Transistors à effet de champ métal-oxyde-semiconducteur

OH

Hydroxyle

SiC

Carbure de silicium

UV-VIS

Spectroscopie ultraviolet-visible

VBM

Maximum de bande de valence

VBO

Décalage de bande de valence

XPS

Spectroscopie photoélectronique aux rayons X

ZnO

Oxyde de zinc