Fotodetector ultravioleta profundo de alto desempenho baseado em heterojunção NiO / β-Ga2O3

Resumo

O fotodetector ultravioleta (UV) atraiu amplos interesses devido às suas aplicações abrangentes, desde tecnologia de defesa a comunicações ópticas. O uso de materiais semicondutores de óxido de metal com gap largo é de grande interesse no desenvolvimento de fotodetectores de UV devido às suas propriedades eletrônicas e ópticas únicas. Neste trabalho, fotodetector de UV profundo baseado em NiO / β-Ga ₂ O ₃ heterojunção foi desenvolvida e investigada. O β-Ga ₂ O ₃ camada foi preparada por pulverização catódica magnetron e exibiu orientação seletiva ao longo da família de (\ (\ overline {2} \) 01) plano de cristal após o recozimento. O fotodetector demonstrou bom desempenho com alta responsividade ( R ) de 27,43 AW ⁻¹ sob uma iluminação de 245 nm (27 μWcm ⁻² ) e a máxima detectividade ( D *) de 3,14 × 10 ¹² cmHz ^1/2 W ⁻¹ , que foi atribuído ao p-NiO / n-β-Ga ₂ O ₃ heterojunção.

Histórico

Tem havido muitos interesses de pesquisa no desenvolvimento de fotodetectores ultravioleta (UV) devido às suas aplicações de amplo alcance, como alerta de mísseis, análise bioquímica, detecção de chamas e ozônio e comunicações ópticas. Em comparação com os semicondutores de SiC e GaN, os fotodetectores de UV baseados em semicondutores de óxido de metal de amplo bandgap oferecem muitas vantagens. Por exemplo, os fotodetectores à base de óxido metálico não oxidam facilmente e exibem uma resposta sensível. Além disso, eles são fáceis de operar e podem ser feitos de tamanho pequeno [1, 2]. Conseqüentemente, os óxidos de metal com um largo bandgap e seus dispositivos têm atraído muita atenção da pesquisa nos últimos anos. Até o momento, óxidos de metal como ZnO [3,4,5], TiO ₂ [6, 7], SnO ₂ [8], NiO [9] e Ga ₂ O ₃ [10, 11] foram estudados para uso como fotodetectores UV de alto desempenho. Entre eles, a fase estável do Ga ₂ O ₃ (β-Ga ₂ O ₃ ) está se tornando um material preferido para fotodetector de UV, pois é um semicondutor de bandgap direto com bandgap ultralargo de ~ 4,9 eV que responde à banda UV de forma eficaz. O processo de crescimento fácil do material é uma vantagem adicional.

Vários grupos têm tentado melhorar o desempenho dos fotodetectores de UV, desenvolvendo dispositivos de heterojunção que consistem em dois semicondutores de óxido metálico diferentes. Por exemplo, Zhao et al. relatou os estudos de ZnO-Ga ₂ O ₃ fotodetectores de UV de heteroestrutura de núcleo-casca, que demonstraram ultra-alta responsividade e detectividade devido a um efeito multiplicador de avalanche [12, 13]. Neste trabalho, uma heterojunção de óxido de metal diferente, como NiO / β-Ga ₂ O ₃ , foi investigado para fornecer um fotodetector UV de alto desempenho. Em primeiro lugar, a incompatibilidade de rede de β-Ga ₂ O ₃ e NiO é relativamente pequeno. Além disso, o bandgap do NiO é maior do que o do ZnO usado no estudo anterior. O comportamento do tipo p de NiO e do tipo n β-Ga ₂ O ₃ levou a vários relatórios sobre os estudos das propriedades elétricas de NiO / β-Ga ₂ O ₃ heterojunção para aplicações de eletrônica de potência [14]; no entanto, há poucos relatos sobre o uso da heterojunção no fotodetector. Neste estudo, o NiO / β-Ga ₂ O ₃ O fotodetector de UV com base foi produzido por pulverização catódica de magnetron em substrato transparente de óxido de estanho e índio (ITO). Os resultados mostraram que o NiO / β-Ga ₂ O ₃ fotodetector exibiu excelente sensibilidade à luz ultravioleta (245 nm) com boa estabilidade.

Métodos

Ga ₂ O ₃ e alvos de cerâmica NiO (99,99%) foram adquiridos da Zhongnuo Advanced Material (Beijing) Technology Co. Ltd. O substrato de safira com plano (0001) foi adquirido da Beijing Physike Technology Co. Ltd. O substrato de quartzo revestido com ITO foi adquirido da Beijing Jinji Aomeng Technology Co. Ltd. Todos os reagentes químicos usados nas experiências foram usados sem purificação adicional.

β-Ga ₂ O ₃ o filme foi preparado por pulverização catódica RF magnetron à temperatura ambiente. Para caracterização, o filme foi depositado sobre substrato de safira com plano (0001). Antes da deposição, o substrato foi limpo a úmido em uma solução mista de água amoniacal, peróxido de hidrogênio e água desionizada (1:1:3) a 80 ° C por 30 min. Ele foi enxaguado repetidamente com água desionizada e seco com nitrogênio para remover a incrustação da superfície, o que aumentaria a uniformidade e a adesão do filme ao substrato. A pulverização catódica foi realizada a uma pressão de 0,7 Pa com oxigênio e argônio fluindo a uma taxa de 5 e 95 sccm, respectivamente. Uma potência de pulverização catódica de 200 W foi utilizada por um período de 60 min na deposição do filme. Finalmente, o filme depositado foi recozido ao ar a 800 ° C (60 min) a uma taxa de aquecimento de 10 ° C / min.

Estrutura cristalina do Ga ₂ O ₃ filme foi estudado usando difração de raios-X (XRD, EMPYREAN) e microscópio eletrônico de transmissão (TEM, JEM-2100). Espectro de absorção do Ga ₂ O ₃ filme sobre substrato de safira foram medidos por espectroscopia UV-Vis (iHR-320), que também forneceu uma estimativa do bandgap óptico do filme. A morfologia da superfície e espessura do Ga ₂ depositado O ₃ os filmes foram caracterizados em microscópio de força atômica (AFM, SPA-400) e microscópio óptico (LEICA DM 2700 M). Análise elementar do Ga ₂ O ₃ o filme foi realizado por espectroscopia de fotoelétrons de raios-X (XPS, K-Alpha +). Tensão de corrente ( J - V ) medição no NiO / β-Ga ₂ O ₃ o fotodetector foi realizado com um medidor-fonte Keithley 2400. Todas as medições foram realizadas à temperatura ambiente.

Resultados e discussão

A Figura 1a mostra os padrões de XRD do Ga ₂ O ₃ filme crescido no plano (0001) do substrato de safira antes e depois do recozimento. Antes do recozimento, o filme conforme depositado exibia um estado amorfo, visto que apenas dois picos (marcados como “*”) associados ao substrato foram observados no padrão. Após o recozimento do filme a 800 ° C, o padrão de XRD mostrou seis picos característicos correspondentes aos planos de cristal da fase β de Ga ₂ O ₃ , que pertence ao sistema de cristal monoclínico. O padrão observado é consistente com o trabalho relatado anteriormente [15, 16]. Estes picos característicos do β-Ga recozido ₂ O ₃ o filme revelou boa cristalinidade com orientação preferencial ao longo da família de (\ (\ overline {2} \) 01) planos de cristal.

a Padrões de XRD do β-Ga ₂ O ₃ filme depositado no plano do substrato de safira (0001), e os picos do substrato de safira são marcados como asteriscos (*). b Espectros de absorção de UV-Vis do β-Ga ₂ O ₃ filme. c Gráficos de [α ( hν )] ² versus energia do fóton. d – e Imagens TEM e HRTEM do β-Ga ₂ O ₃ filme após o recozimento. f Imagens AFM do β-Ga ₂ O ₃ filme. g – h Imagens ópticas e AFM na borda do degrau entre o filme e o substrato

As Figuras 1d e e são imagens TEM e HRTEM do β-Ga ₂ O ₃ filme após o recozimento. Como mostrado, o espaçamento das franjas da rede dos planos cristalinos de (\ (\ overline {2} \) 01), (400) e (\ (\ overline {2} \) 02) eram 4,69 Å, 2,97 Å e 2,83 Å , respectivamente, o que novamente sugere boa cristalinidade e está de acordo com trabalhos previamente relatados na literatura [17, 18].

Imagem AFM do β-Ga ₂ O ₃ o filme depositado no substrato de safira é mostrado na Fig. 1f. O filme conforme depositado exibiu uma topografia de superfície granular uniforme com rugosidade de superfície relativamente pequena de raiz quadrada média (RMS) de 1,36 nm. Após o recozimento, a rugosidade RMS do filme aumentou para 1,68 nm. Tal aumento na rugosidade RMS após o recozimento também foi relatado por Hao et al [19]. É possível que o tratamento de recozimento resulte em defeitos estruturais da superfície. Mais estudos são necessários para entender a causa da mudança na morfologia da superfície após o recozimento. As imagens de topografia de AFM da borda do degrau entre o filme e o substrato antes e após o recozimento são mostradas na Fig. 1 ge h, em que os perfis de linha (na inserção) indicaram uma espessura de filme de 114 ± 6,4 nm e 123 ± 2,0 nm ( cerca de 8% de aumento), respectivamente. O aumento na espessura do filme e RMS após o recozimento pode ser que a transição de fase amorfa para cristalinidade leve ao crescimento do grão nanocristal.

Espectros de absorção de UV-Vis do β-Ga ₂ O ₃ as películas antes e depois do recozimento são mostradas na Fig. 1b. Ambos os filmes exibiram forte absorção de UV na faixa de 190–300 nm e quase nenhuma absorção na faixa de luz visível. Isso mostrou que o tratamento de recozimento não teve um efeito significativo na borda de absorção. Isso apenas resultou em um pequeno desvio para o vermelho de cerca de 10 nm com um ligeiro aumento no pico de absorção. Eq. (1) pode ser usado para estimar a energia do bandgap óptico ( E g) do filme.
$$ \ alpha \ left (h \ nu \ right) =A {\ left (h \ nu -E \ mathrm {g} \ right)} ^ {1/2} $$ (1)
onde α é o coeficiente de absorção, hν é a energia do fóton, e A é uma constante. Levando em consideração as espessuras de filme medidas por AFM, o E g das películas como depositadas e recozidas podem ser determinadas a partir dos gráficos na Fig. 1c, que indicaram um valor de 5,137 eV e 5,135 eV, respectivamente. Esses valores estão próximos do E teórico g de 4,9 eV para β-Ga ₂ O ₃ .

Espectros XPS do β-Ga ₂ O ₃ o filme é mostrado na Fig. 2. As Figuras 2a – c e d – f mostram os espectros XPS da varredura completa, elementos Ga e O antes e depois do recozimento, respectivamente. O elemento C observado na varredura completa era carbono adventício. Após o recozimento, o pico de C 1 s foi reduzido significativamente, indicando que a maior parte do carbono foi removida durante o tratamento de recozimento. A energia de ligação de Ga3d na Fig. 2 be e correspondem a 21,14 eV e 20,70 eV, respectivamente, que correspondem à ligação Ga-O das amostras, e a energia de ligação após o recozimento é reduzida em 0,44 eV. Os picos de O 1 s foram ajustados com dois componentes associados às vacâncias de oxigênio (O _V ) e oxigênio da rede (O _L ) As relações de área de O _V e O _L (por exemplo, S _OV :S _OL) antes e depois do recozimento foram de 0,47 e 0,12, respectivamente. Isso sugere um aumento nos átomos de oxigênio da rede devido ao tratamento de recozimento que leva à cristalização conforme os átomos de oxigênio se movem para seus locais apropriados da rede.

Espectros XPS do β-Ga ₂ O ₃ filme. Varredura de pesquisa, Ga 3d e picos de nível de núcleo O1s adquiridos antes do recozimento são mostrados em a – c e após o recozimento são mostrados em d – f , respectivamente

Um fotodetector UV que consiste em β-Ga ₂ O ₃ filme foi fabricado. Uma estrutura vertical simples foi projetada para o fotodetector, que compreendia ITO / NiO / Ga ₂ O ₃ / Al. Um diagrama esquemático da estrutura do dispositivo é mostrado na Fig. 3a. Uma camada de NiO foi primeiro pulverizada em um substrato de quartzo revestido com ITO após a aplicação dos mesmos procedimentos de limpeza úmida que o substrato de safira, e a preparação e caracterizações detalhadas do filme de NiO foram mostradas no arquivo adicional 1:Figura S1 e Figura S2. Ga ₂ O ₃ camada foi então pulverizada usando os parâmetros de deposição acima mencionados. A heterojunção preparada foi recozida ao ar a 600 ° C por 30 min para evitar danos de aquecimento ao ITO (com o conhecimento de que β-Ga ₂ O ₃ pode ser formado na temperatura de recozimento acima de 550 ° C), seguido pela deposição de vapor de eletrodos de Al (2 × 2 mm ² ) na superfície de Ga ₂ O ₃ filme. Finalmente, os eletrodos de Al e substrato ITO foram usados como eletrodos superior e inferior, respectivamente.

a Diagrama esquemático mostrando a estrutura do dispositivo consistindo em ITO / NiO / β-Ga ₂ O ₃ / Al. b Diagrama da banda de energia do fotodetector. c – d Medido J-V e logar J-V curvas, respectivamente, do fotodetector iluminado com uma luz de diferentes comprimentos de onda e no escuro. e – f Medido J-V e logar J-V curvas, respectivamente, do fotodetector sob uma iluminação UV de 245 nm com diferentes densidades de potência. g – h Responsividade ( R ) e detectividade ( D *), respectivamente, do fotodetector em diferentes tensões de polarização sob iluminação de luz de 245 nm

A Figura 3b mostra o diagrama da banda de energia do fotodetector. Calculamos o E g de filme NiO de acordo com a Eq. (1) conforme mostrado no arquivo adicional 1:Figura S3. O E g de filme NiO é cerca de 3,4 eV após o recozimento. A energia de largura de banda larga do β-Ga ₂ O ₃ As camadas (5,1 eV) e NiO (3,4 eV) respondem à luz ultravioleta. Sob iluminação UV ( hν ), os elétrons ganham energia suficiente para transitar para a banda de condução, gerando pares elétron-buraco. Esses pares elétron-buraco fotogerados foram separados pelo campo elétrico embutido e coletados pelos respectivos eletrodos. Aqui, a heteroestrutura com alinhamento de banda apropriado pode facilitar a separação e coleta de carga.

O desempenho do fotodetector de heterojunção foi estudado a partir do J medido - V e logar J - V plotagens, que foram adquiridas do dispositivo de incidente de iluminação de fundo. As Figuras 3 c e d ilustram o J - V e logar J - V curvas do fotodetector iluminadas com luzes de diferentes comprimentos de onda e no escuro, respectivamente. Quando o fotodetector foi iluminado por uma luz UV de 245 nm a 27 μWcm ⁻² , um aumento drástico da densidade de corrente, até 1,38 mAcm ⁻² , foi observada a uma voltagem aplicada de 10 V. A densidade da corrente também aumenta quando iluminada com luzes UV de 285 e 365 nm. No entanto, mais pares de elétron-buraco podem ser efetivamente excitados por luz UV de 245 nm em comparação com outras duas luzes de UV, mostrando a detecção de UV profunda do dispositivo.

J - V e logar J - V curvas do fotodetector foram medidas sob uma iluminação UV de 245 nm com densidade de potência variável, como mostrado na Fig. 3 e e f, respectivamente. As medições foram realizadas em condições de escuridão e luz ultravioleta. A densidade de corrente aumenta com a intensidade da luz sob uma iluminação UV de 245 nm, o que sugere que o fotodetector tem a capacidade de gerar fotocorrente em resposta à luz UV de 245 nm.

O efeito da tensão de polarização na responsividade ( R ) do dispositivo é mostrado na Fig. 3g. R está relacionado com a densidade da fotocorrente ( J _ph ) de acordo com a Eq. (2) [5]:
$$ R ={J} _ {\ mathrm {ph}} / {P} _ {\ mathrm {opt}} $$ (2)
onde P _opt a densidade de potência do fóton tem um valor de 1,5 mWcm ⁻² . Um aumento em R ficou evidente na Fig. 3g conforme a tensão de polarização do dispositivo aumenta sob a densidade de potência de fótons fixa. O máximo R era 27,43 AW ⁻¹ medido sob uma iluminação de 245 nm (27 μWcm ⁻² ) na tensão de polarização de 10 V.

Detetividade ( D *) é outro parâmetro importante para avaliar o desempenho dos fotodetectores. D * do fotodetector pode ser calculado usando a Eq. (3) da seguinte forma [20, 21]:
$$ {D} ^ {\ ast} =R / {\ left (2q \ left | {J} _ {\ mathrm {d}} \ right | \ right)} ^ {1/2} $$ (3)
onde q é a carga eletrônica absoluta (1,602 × 10 ⁻¹⁹ C) e J _d é a densidade de corrente escura. A relação entre D * e a tensão de polarização é mostrada na Fig. 3h, que mostra um aumento em D * conforme a tensão de polarização aumenta. O máximo D * era 3,14 × 10 ¹² cmHz ^1/2 W ⁻¹ medido sob uma iluminação de 245 nm (27 μWcm ⁻² ) na tensão de polarização de - 10 V. Com base nos valores de R e D *, o NiO / β-Ga ₂ O ₃ fotodetector demonstrou alto desempenho na detecção de UV, em comparação com outros baseados em NiO e Ga ₂ O ₃ com base em detectores de UV mostrados na Tabela 1.

Conclusões

Em conclusão, β-Ga ₂ O ₃ o filme foi preparado por pulverização catódica RF magnetron e exibiu boa cristalinidade após recozimento a 800 ° C. O largo bandgap material revelou forte absorção de UV na faixa de 190–300 nm. O fotodetector de UV profundo baseado em NiO / β-Ga ₂ O ₃ a heteroestrutura era altamente sensível à luz UV 245 nm com alta responsividade ( R ) e detectividade ( D *) de até 27,43 AW ⁻¹ e 3,14 × 10 ¹² cmHz ^1/2 W ⁻¹ , respectivamente. Acredita-se que o desempenho do fotodetector de UV pode ser melhorado por meio de dopagem ou otimização da estrutura do dispositivo.

Disponibilidade de dados e materiais

As conclusões feitas neste manuscrito são baseadas nos dados (texto principal e figuras) apresentados e mostrados neste artigo.

Abreviações

AFM:: Microscópio de força atômica
ITO:: Óxido de índio estanho
TEM:: Microscopia eletrônica de transmissão
UV:: Ultravioleta
XPS:: espectroscopia de fotoelétrons de raios-X
XRD:: Difração de raios X

Preparação de sulfeto de nanocobre e suas propriedades de adsorção para 17α-etinilestradiol Pseudomagnetoresistência de vale eletricamente controlada em grafeno com distorção de rede de Kekulé em forma de Y

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