나노물질
산업 제조
ZnO/β-Ga2의 에너지 밴드 정렬 O3 (\( \overline{2}01 \)) 이종접합은 X선 광전자 분광법(XPS)으로 특성화되었습니다. ZnO 필름은 다양한 온도에서 원자층 증착을 사용하여 성장되었습니다. 모든 ZnO/β-Ga2에 대해 I형 밴드 정렬이 확인되었습니다. O3 이종 접합. 전도(가전자) 대역 오프셋은 성장 온도가 150°C에서 250°C로 증가하면서 1.26(0.20) eV에서 1.47(0.01) eV까지 다양했습니다. 온도에 따른 증가된 전도대 오프셋은 주로 ZnO 필름의 Zn 틈새에 의해 기여됩니다. 한편, 억셉터형 복합결함 Vzn + OH는 감소된 가전자대 오프셋을 설명할 수 있습니다. 이러한 발견은 ZnO/β-Ga2의 설계 및 물리적 분석을 용이하게 할 것입니다. O3 관련 전자 기기.
산화갈륨(Ga2 O3 )은 독특한 특성으로 인해 차세대 전력 전자 소자를 위한 유망한 초광대역 밴드갭 반도체 재료로 널리 연구되어 왔다[1]. 다양한 다형체(α, β, γ, δ, ε) 중에서 단사정 β-Ga2 O3 열 안정성이 가장 높습니다[2]. 또한, β-Ga2 O3 4.5~4.9 eV의 실온 밴드갭을 가지며 화학적 안정성이 우수하다[3]. 특히, β-Ga2 O3 ~100cm 2 의 높은 벌크 전자 이동도를 가집니다. /V·s, SiC(3.18 MV/cm) 또는 GaN(3 MV/cm)보다 8 MV/cm의 훨씬 더 높은 항복 전계[4], 캐리어 농도는 Sn 및 Si 도핑에 의해 쉽게 변조될 수 있다[ 5, 6]. 따라서 β-Ga2 O3 태양 블라인드 광검출기[7] 및 금속 산화물 반도체 전계 효과 트랜지스터(MOSFET)[8]를 포함하는 기반 장치가 보고되었습니다. 그러나 β-Ga2에는 여전히 한계가 있습니다. O3 금속과 β-Ga2 사이의 열악한 저항 접촉과 같은 기반 장치 O3 [9]. 최근에는 금속과 Ga2 사이에 전자 농도가 높은 금속-산화물-반도체 중간층, 즉 중간 반도체층(ISL)을 삽입하여 O3 , 계면에서 에너지 장벽의 변조 때문에 효과적인 해상도인 것으로 나타났습니다[10,11,12].
산화아연(ZnO)은 60 meV의 엑시톤 결합 에너지와 10 19 이상의 높은 전자 농도를 가지고 있어 많은 주목을 받았습니다. cm −3 , 및 1.89 eV의 강한 응집 에너지. [13, 14] 또한 ZnO와 Ga2 사이의 격자 불일치 O3 5% 이내이다[15]. 열수법[16, 17] 및 화학 기상 증착(CVD)을 포함하여 ZnO 필름을 제조하기 위해 다양한 증착 기술이 개발되었습니다. [18] 그러나 열수법은 복잡한 공정이 필요하고 성장 속도가 느리고 CVD는 일반적으로 900 °C 이상의 조용하고 높은 성장 온도가 필요합니다. 이러한 단점으로 인해 장치에 적용하기가 어렵습니다. 최근 ALD(Atomic Layer Deposition)는 우수한 단차 적용 범위, 원자 규모 두께 제어성, 우수한 균일성 및 비교적 낮은 증착 온도를 나타내는 유망한 기술로 등장했습니다. 결과적으로, 와이드 밴드갭 반도체에 원자층으로 증착된 ZnO는 계면 무질서를 줄이고 더 제어 가능한 샘플을 생성하여 캐리어 수송 과정에서 중요한 역할을 하는 에너지 밴드 정렬을 조사할 수 있습니다[19]. 지금까지 Ga2 사이의 밴드 정렬 O3 원자층 증착 ZnO는 실험에 의해 연구되지 않았지만 ZnO와 Ga2의 이론적 밴드 정렬에 대한 보고가 있습니다. O3 . 따라서, 원자층 증착 ZnO/β-Ga2의 에너지 밴드 정렬을 이해하면 O3 이종 접합은 향후 관련 장치의 설계 및 물리적 분석에 매우 바람직합니다. 이 연구에서 β-Ga2에 원자층 증착 ZnO의 에너지 밴드 정렬 O3 X선 광전자 분광법(XPS)에 의해 특징지어졌다. 또한 밴드 정렬에 대한 ZnO의 성장 온도 영향도 해결되었습니다.
β-Ga2 O3 (\( \overline{2}01 \)) Sn 도핑 농도가 ~ 3 × 10 18 인 기판 /cm 3 6 × 6 mm 2 크기의 작은 조각으로 깍둑썰기했습니다. . 깍둑썰기한 샘플을 10분마다 초음파 세척을 통해 아세톤, 이소프로판올로 교대로 세척한 후 탈이온수로 세척하여 잔류 유기 용매를 제거했습니다. 그 후, Ga2 O3 기판을 ALD 반응기(Wuxi MNT Micro Nanotech co., LTD, China)로 옮겼다. ZnO 필름의 성장 속도는 ~ 1.6 Å/사이클이었습니다. 40 및 5 nm ZnO 필름은 모두 세척된 β-Ga2에서 성장되었습니다. O3 Zn 사용(C2 H5 )2 (DEZ) 및 H2 150, 200 및 250 °C의 각 온도에서 O. 제조된 ZnO 박막의 두께는 Ellipsometer(Sopra GES-5E)로 측정하였다. ZnO(40 nm)/β-Ga2 O3 벌크 표준으로 사용되었으며 ZnO(5 nm)/β-Ga2 O3 그 동안 벌크 벌크 β-Ga2는 밴드 정렬을 결정하는 데 사용되었습니다. O3 대조군 샘플로 사용하였다. 0.05 eV 단계의 XPS(AXIS Ultra DLD, Shimadzu) 측정을 수행하여 VBM(가전자대 최대값), Ga 2p 및 Zn 2p 스펙트럼을 측정했습니다. 표면 산화 및 오염의 간섭을 피하기 위해 XPS 측정 전에 모든 샘플을 2kV의 전압으로 3분 동안 Ar 이온으로 에칭했습니다. 모든 XPS 스펙트럼은 충전 효과를 보상하기 위해 284.8 eV에서 C 1s 피크로 보정되었습니다. 밴드갭을 식별하기 위해 Ga2의 광투과 스펙트럼 O3 및 ZnO는 자외선 가시광선(UV-VIS) 분광법(Lambda 750, PerkinElmer, USA)으로 측정되었습니다.
그림 1은 (αhv ) 1/n 벌크 β-Ga2에 대한 광자 에너지의 함수로서 O3 및 200°C에서 증착된 그대로의 ZnO 필름. 광학 밴드 갭(E g ) ZnO 필름 및 β-Ga2 O3 Tauc의 관계에 의해 결정될 수 있습니다. [21]:(αhv ) 1/n =A (hv − E g ), 여기서 α는 흡수 계수, A는 상수, hv 입사 광자 에너지, E g 는 광 에너지 밴드갭, n 직접 밴드갭의 경우 1/2이고 간접 밴드갭의 경우 2입니다. 여기에서 ZnO와 β-Ga2 모두 O3 n 값을 만드는 전형적인 직접 밴드 갭 1/2입니다. 이어서 E g 직선 부분을 α =0에서 에너지 바이어스로 외삽하여 추출할 수 있습니다. 따라서 추출된 E g ZnO 및 β-Ga2 O3 보고된 것과 잘 일치하는 각각 3.20 eV 및 4.65 eV입니다. [22, 23]
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(αhv의 플롯 ) 2 대 hv a 석영 유리에서 성장한 ZnO 필름 b β-Ga2 O3 기질. 삽입된 그림은 ZnO 및 β-Ga2의 광 투과 스펙트럼을 보여줍니다. O3 , 각각
가전자대 오프셋(VBO)은 다음 공식을 사용하여 Kraut의 방법으로 결정할 수 있습니다[24]
$$ \델타 {E}_V=\left({E}_{Ga\ 2p}^{Ga_2{O}_3}-{E}_{VBM}^{Ga_2{O}_3}\right)-\ 왼쪽({E}_{Zn\2p}^{ZnO}-{E}_{VBM}^{ZnO}\right)-\left({E}_{Ga\2p}^{Ga_2{O }_3}-{E}_{Zn\ 2p}^{Zn O}\right), $$ (1)여기서 \( {E}_{Ga\ 2p}^{Ga_2{O}_3}-{E}_{VBM}^{Ga_2{O}_3} \) \( \Big({E}_{Zn\ 2p}^{Zn O}-{E}_{VBM}^{Zn O} \))는 Ga 2p(Zn 2p) core level(CL)과 벌크 β-Ga의 VBM 사이의 에너지 차이를 나타냅니다 2 O3 (ZnO) 및 \({E}_{Ga\ 2p}^{Ga_2{O}_3}-{E}_{Zn\ 2p}^{Zn O} \)는 Ga 2p와 Zn 2p 코어 레벨. 그림 2는 ZnO(40 nm)/β-Ga2의 Zn 2p를 포함한 모든 CL 스펙트럼을 보여줍니다. O3 및 ZnO(5 nm)/β-Ga2 O3 , Ga 2p의 대량 Ga2 O3 및 ZnO(5 nm)/β-Ga2 O3 , 뿐만 아니라 벌크 Ga2의 가전자대 스펙트럼 O3 및 ZnO(40nm)/β-Ga2 O3 . 그림 2a는 ZnO(40 nm)/β-Ga2에서 Zn 2p의 CL 스펙트럼을 나타냅니다. O3 , 균일한 결합 상태를 나타내는 조용한 대칭이고 1021.09 eV에 있는 피크가 Zn-O 결합에 해당합니다[25]. VBM은 선형 외삽법을 사용하여 결정할 수 있습니다[26]. ZnO의 VBM은 2.11 eV에 있습니다. 그림 2b에서 1117.78 eV에 위치한 피크는 Ga-O 결합[27]과 Ga2의 VBM에 해당합니다. O3 는 위에서 언급한 방법에 따라 2.74 eV로 추론된다. ZnO(5 nm)/β-Ga2에서 Zn 2p 및 Ga 2p의 CL O3 그림 2c에 나와 있습니다. 식에 따르면 (1) ZnO/Ga2 인터페이스의 VBO O3 0.06 eV로 결정됩니다.
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a의 코어 레벨 및 가전자대 최대값(VBM)에 대한 고해상도 XPS 스펙트럼 40 nm ZnO/β-Ga2의 Zn 2p 코어 레벨 스펙트럼 및 VBM O3 , b 베어 β-Ga2의 Ga 2p 코어 레벨 스펙트럼 및 VBM O3 , 및 c 5 nm ZnO/β-Ga2의 고해상도 XPS 스펙트럼에서 얻은 Ga 2p 및 Zn 2p의 코어 레벨 스펙트럼 O3
계산된 E 기준 g 및 ∆E V , ZnO/Ga2에서 전도대 오프셋(CBO) O3 인터페이스는 다음 방정식에서 쉽게 추론할 수 있습니다.
$$ \Delta {E}_C={E}_g^{Ga_2{O}_3}-{E}_g^{ZnO}-\Delta {E}_V, $$ (2)여기서 \( {E}_g^{Ga_2{O}_3} \) 및 \( {E}_g^{ZnO} \)는 β-Ga2에 대한 에너지 밴드갭입니다. O3 및 ZnO, 각각. ZnO/β-Ga2에 대한 상세한 에너지 밴드 다이어그램 O3 인터페이스는 그림 3에 나와 있습니다. 인터페이스는 ZnO의 전도대 가장자리와 가전자대 가장자리가 모두 β-Ga2의 밴드갭 내에 위치하는 type-I 밴드 정렬을 가지고 있습니다. O3 .
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ZnO(200°C)/β-Ga2의 개략적인 밴드 정렬 다이어그램 O3 이종접합
ZnO와 β-Ga2 사이의 밴드 정렬에 대한 성장 온도의 영향을 더 조사하기 위해 O3 , ZnO 필름도 150 및 250 °C에서 성장합니다. 150–250 °C의 온도에서 ALD에 의해 제조된 ZnO 필름은 다결정 특성을 가지고 있습니다. 그림 4는 다양한 온도에서 성장한 ZnO 필름의 고해상도 O 1s XPS 스펙트럼을 보여줍니다. 각 O 1s 스펙트럼은 Gaussian-Lorentzian 함수를 사용하여 세 가지 구성 요소로 잘 분리될 수 있습니다. 530.0(O1), 531.6(O2) 및 532.4(O3) eV를 중심으로 하는 피크는 각각 Zn-O 밴드, 산소 결손 및 -OH 그룹에 해당합니다[28, 29]. 서로 다른 성분의 상대 백분율은 그림 4에서 분해된 피크 면적에 따라 계산됩니다. 이는 전구체의 분해와 Zn 간극의 증가로 인해 산소 결손의 상대 함량이 10.7%에서 15.0%로 증가함을 보여줍니다. 그러나 –OH 대응물은 이 온도 범위에서 DEZ 전구체와 표면 –OH 기 사이의 보다 완전한 반응으로 인해 5.1%에서 1.9%로 감소합니다[30].
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a에서 성장한 ZnO 필름의 고해상도 O 1 s XPS 스펙트럼 150°C, b 200°C 및 c 각각 250°C
그림 5는 ZnO/β-Ga2의 밴드 오프셋을 보여줍니다. O3 성장 온도의 함수로서의 이종 접합. CBO는 성장 온도가 150에서 250°C로 다양함에 따라 1.26에서 1.47 eV로 증가합니다. 기본 도너 결함에는 Zn 반 위치, 산소 결손 및 Zn 간극이 포함됩니다. 그러나 역위치 원자의 형성 에너지는 너무 높아 그 농도가 극히 낮다. Zn 틈새는 CBM이 주로 Zn 원자의 4s 궤도에 의해 지배되기 때문에 산소 결손보다 전도대 최소값(CBM)에 더 많은 영향을 미칩니다. 결과적으로, 0.21 eV의 증가된 CBO는 주로 Zn 삽입물에 의해 기여할 수 있다. 반면에 VBO는 성장 온도가 150°C에서 250°C로 증가함에 따라 0.20에서 0.01eV로 감소합니다. 기본 수용체 결함에는 O anti-position, Zn 공석 및 산소 틈새가 포함되며 형성 에너지가 높고 그 수는 무시할 수 있습니다. 더욱이, 가장 고유한 수용체 수준은 ZnO 밴드갭 내에 깊기 때문에 VBM에 거의 영향을 미치지 않습니다[33]. 그러나 Vzn + OH는 낮은 형성 에너지로 인해 제시되기에 유리합니다. [34] Vzn + OH는 OH 결합에 속하는 전자와 함께 발생할 수 있습니다. 격자 수소 H + 이온은 보상 중심 역할을 하며 VZn와 결합할 수 있습니다. 전위 및 적층 결함 코어 주변에 형성되어 p형 전도도에 대한 억셉터형 복합 결함을 보장합니다[35]. ZnO 필름에서 더 많은 잔류 -OH 그룹은 더 낮은 성장 온도, 즉 150 °C에서 얻어집니다[36]. VBM 근처의 수용체 수준은 온도와 함께 감소하여 E가 효과적으로 하향 이동합니다. V 의 ZnO, 따라서 ∆E V 낮아집니다. 따라서 더 낮은 온도에서 증착된 ZnO는 금속과 Ga2 사이의 경계면에서 장벽 높이를 줄이는 데 더 효율적일 수 있습니다. O3 .
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원자층 증착 ZnO/β-Ga2의 전도 및 가전자대 오프셋 O3 다른 온도에서 제작된 이종 접합
요약하면, 원자층 증착 ZnO/β-Ga2에서의 에너지 밴드 정렬 O3 (\( \overline{2}01 \))는 XPS에 의해 특성화되었습니다. ZnO/β-Ga2에서 형성된 I형 밴드 정렬 O3 상호 작용. 전도대 오프셋은 1.26에서 1.47 eV로 증가했고 가전자대 오프셋은 온도가 150에서 250 °C로 증가함에 따라 0.20에서 0.01 eV로 감소했습니다. 이러한 관찰은 더 낮은 온도에서 증착된 ZnO가 ZnO/β-Ga2에서 전자 장벽 높이를 줄이는 유망한 ISL에 유리하다는 것을 시사합니다. O3 인터페이스.
원자층 증착
전도대 최소
전도대 오프셋.
화학 기상 증착
Zn(C2 H5 )2
산화갈륨
질화갈륨
중간 반도체층
금속 산화물 반도체 전계 효과 트랜지스터
수산기
탄화규소
자외선 가시 분광법
원자가 밴드 최대값
가전자대 오프셋
X선 분광법
산화아연
나노물질
초록 이 논문에서 하이브리드 β-Ga2 O3 PEDOT:PSS를 양극으로 사용하여 쇼트키 다이오드를 제작했습니다. 온도가 298K에서 423K로 변할 때 전기적 특성을 조사하였다. 장벽 높이 ϕ b 증가하고 이상 요인 <>n 온도가 증가함에 따라 감소하여 폴리머와 β-Ga2 사이의 장벽 높이 불균일성의 존재를 나타냅니다. O3 상호 작용. 평균 장벽 높이와 표준 편차는 가우스 장벽 높이 분포 모델을 고려한 후 각각 1.57 eV 및 0.212 eV입니다. 또한 320ms 미만의 비교적 빠른 응답속도, 0.6A/W의 높은 응답성,
초록 이 연구에서 우리는 TiO2의 광촉매 특성을 향상시키기 위해 열간 압착 공정을 사용했습니다. /Fe2 O3 물 분해를 위한 산소 발생 반응에서 광촉매를 위한 광자 흡수를 증가시키기 위해 표면에 주기적 패턴 구조를 갖는 바이메탈 산화물. 열간 압착된 샘플은 두 개의 금속 산화물을 결합하면 서로 다른 파장에서 전극의 흡수 밴드 가장자리가 향상됨을 보여줍니다. 열간 압착 공정을 사용하여 얻은 패턴 구조는 광자 흡수를 성공적으로 개선하여 평평한 표면 전극에 비해 2배 향상되었습니다. 소개 물을 분해하여 산소를 생성하는 광촉매