자외선(UV) 광검출기는 방위 기술에서 광통신에 이르기까지 광범위한 응용 분야로 인해 많은 관심을 받았습니다. 넓은 밴드갭 금속 산화물 반도체 재료의 사용은 독특한 전자 및 광학 특성으로 인해 UV 광검출기 개발에 큰 관심을 받고 있습니다. 이 작업에서 NiO/β-Ga2 기반의 심자외선 광검출기 O3 이종 접합이 개발되고 조사되었습니다. β-Ga2 O3 층은 마그네트론 스퍼터링에 의해 준비되었으며 어닐링 후 (\( \overline{2} \) 01) 결정면 패밀리를 따라 선택적 배향을 나타냈습니다. 광검출기는 높은 반응성(R )/27.43AW −1 245nm 조명(27μWcm −2 ) 및 최대 탐지율(D *) 3.14 × 10 12 cmHz 1/2 W −1 , 이는 p-NiO/n-β-Ga2에 기인합니다. O3 이종접합.
<섹션 데이터-제목="배경">미사일 경고, 생화학적 분석, 화염 및 오존 감지, 광통신과 같은 광범위한 응용으로 인해 자외선(UV) 광검출기의 개발에 많은 연구 관심이 있어 왔습니다. SiC 및 GaN 반도체와 비교할 때 와이드 밴드갭 금속 산화물 반도체 기반 UV 광검출기는 많은 이점을 제공합니다. 예를 들어, 금속 산화물 기반 광검출기는 쉽게 산화되지 않고 민감한 반응을 보입니다. 또한 조작이 간편하고 크기도 작게 만들 수 있다[1, 2]. 따라서, 와이드 밴드갭 금속 산화물 및 그 소자는 최근 몇 년 동안 많은 연구 관심을 끌고 있다. 현재까지 ZnO[3,4,5], TiO2와 같은 금속 산화물 [6, 7], SnO2 [8], NiO [9] 및 Ga2 O3 [10, 11] 고성능 UV 광검출기로 사용하기 위해 연구되었습니다. 그 중 Ga2의 안정상 O3 (β-Ga2 O3 )은 UV 밴드에 효과적으로 반응하는 ~ 4.9 eV의 초광대역 밴드갭을 갖는 직접 밴드갭 반도체이기 때문에 UV 광검출기에 선호되는 재료가 되고 있습니다. 재료의 손쉬운 성장 과정이 추가 이점입니다.
여러 그룹에서 두 개의 서로 다른 금속 산화물 반도체로 구성된 이종 접합 소자를 개발하여 UV 광검출기의 성능을 향상시키려고 시도했습니다. 예를 들어, Zhao et al. ZnO-Ga2에 대한 연구 보고 O3 코어-쉘 이종구조 UV 광검출기는 눈사태 승수 효과로 인해 초고 반응성 및 검출성을 입증했습니다[12, 13]. 이 작업에서 NiO/β-Ga2와 같은 다른 금속 산화물 이종 접합 O3 , 고성능 UV 광검출기를 제공하기 위해 조사되었다. 첫째, β-Ga2의 격자 불일치 O3 NiO는 비교적 작습니다. 또한 NiO의 밴드갭은 이전 연구에서 사용된 ZnO의 밴드갭보다 크다. NiO 및 n형 β-Ga2의 p형 거동 O3 NiO/β-Ga2의 전기적 특성 연구에 대한 여러 보고서를 작성했습니다. O3 전력 전자 애플리케이션을 위한 이종접합[14]; 그러나 광검출기에서 이종접합의 사용에 대한 제한된 보고가 있습니다. 이 연구에서 NiO/β-Ga2 O3 기반의 UV 광검출기는 ITO(인듐 주석 산화물) 투명 기판에 마그네트론 스퍼터링으로 제작되었습니다. 결과는 NiO/β-Ga2 O3 광검출기는 UV 광(245 nm)에 대해 우수한 감도와 우수한 안정성을 나타냈습니다.
가2 O3 및 NiO 세라믹 타겟(99.99%)은 Zhongnuo Advanced Material (Beijing) Technology Co. Ltd.에서 구입했습니다. (0001) 평면이 있는 사파이어 기판은 Beijing Physike Technology Co. Ltd.에서 구입했습니다. ITO 코팅 석영 기판은 Beijing Jinji Aomeng에서 구입했습니다. (주)테크놀로지 실험에 사용된 모든 화학 시약은 추가 정제 없이 사용되었습니다.
β-Ga2 O3 실온에서 RF 마그네트론 스퍼터링에 의해 필름을 제조하였다. 특성화를 위해 필름을 (0001) 평면이 있는 사파이어 기판에 증착했습니다. 증착 전에 기판을 암모니아수, 과산화수소 및 탈이온수(1:1:3)의 혼합 용액에서 80°C에서 30분 동안 습식 세정했습니다. 탈이온수로 반복적으로 헹구고 질소를 사용하여 건조하여 표면 오염을 제거하여 기판에서 필름의 균일성과 접착력을 향상시킵니다. 스퍼터링은 0.7 Pa의 압력에서 산소와 아르곤이 각각 5와 95sccm의 속도로 흐르면서 수행되었습니다. 200 W의 스퍼터링 파워는 필름 증착에 60분 동안 사용되었습니다. 마지막으로, 증착된 필름은 10 °C/min의 가열 속도로 800°C(60분)의 공기 중에서 어닐링되었습니다.
Ga2의 결정 구조 O3 필름은 X선 회절(XRD, EMPYREAN) 및 투과 전자 현미경(TEM, JEM-2100)을 사용하여 연구되었습니다. Ga2의 흡수 스펙트럼 O3 사파이어 기판의 필름은 UV-Vis 분광법(iHR-320)에 의해 측정되었으며, 이는 필름의 광학 밴드갭에 대한 추정도 제공했습니다. 증착된 Ga2의 표면 형태 및 두께 O3 필름은 원자간력현미경(AFM, SPA-400)과 광학현미경(LEICA DM 2700 M)을 사용하여 특성화하였다. Ga2의 원소 분석 O3 필름은 X선 광전자 분광법(XPS, K-Alpha+)으로 수행하였다. 전류-전압(J -V ) NiO/β-Ga2에서 측정 O3 광검출기는 Keithley 2400 소스 미터로 수행되었습니다. 모든 측정은 실온에서 수행되었습니다.
그림 1a는 Ga2의 XRD 패턴을 보여줍니다. O3 어닐링 전후에 사파이어 기판의 (0001) 면에 성장된 막. 어닐링 전, 증착된 필름은 패턴에서 기판과 관련된 2개의 피크("*"로 표시됨)만이 관찰되었기 때문에 비정질 상태를 나타냈습니다. 800°C에서 필름을 어닐링한 후 XRD 패턴은 Ga2의 β상의 결정 평면에 해당하는 6개의 특징적인 피크를 보여주었습니다. O3 , 단사정계 결정계에 속합니다. 관찰된 패턴은 이전에 보고된 작업과 일치합니다[15, 16]. 어닐링된 β-Ga2의 이러한 특징적인 피크는 O3 필름은 (\( \overline{2} \) 01) 결정면 계열을 따라 우선적인 방향으로 우수한 결정성을 나타냈습니다.
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아 β-Ga2의 XRD 패턴 O3 사파이어 기판(0001) 평면에 증착된 필름, 그리고 사파이어 기판의 피크는 별표(*)로 표시됩니다. ㄴ β-Ga2의 UV-Vis 흡수 스펙트럼 O3 영화. ㄷ [α(hν)의 플롯 )] 2 대 광자 에너지. d–e β-Ga2의 TEM 및 HRTEM 이미지 O3 어닐링 후 필름. 에 β-Ga2의 AFM 이미지 O3 영화. 으~ 필름과 기판 사이의 단차 가장자리에 있는 광학 및 AFM 이미지
그림 1d 및 e는 β-Ga2의 TEM 및 HRTEM 이미지입니다. O3 어닐링 후 필름. 도시된 바와 같이, (\( \overline{2} \) 01), (400) 및 (\( \overline{2} \) 02) 결정면의 격자 무늬 간격은 4.69 Å, 2.97 Å, 2.83 Å , 각각 좋은 결정도를 제시하고 문헌에서 이전에 보고된 작업과 잘 일치합니다[17, 18].
β-Ga2의 AFM 이미지 O3 사파이어 기판에 증착 된 필름이 그림 1f에 나와 있습니다. 증착된 필름은 1.36 nm의 상대적으로 작은 RMS(root-mean-square) 표면 거칠기로 균일한 입상 표면 형상을 나타냅니다. 어닐링 후 필름의 RMS 거칠기는 1.68 nm로 증가했습니다. 열처리 후 RMS 거칠기의 이러한 증가는 Hao et al[19]에서도 보고되었습니다. 어닐링 처리로 인해 표면 구조적 결함이 발생할 수 있습니다. 어닐링 후 표면 형태 변화의 원인을 이해하기 위해서는 추가 연구가 필요합니다. 어닐링 전후의 필름과 기판 사이의 단차 가장자리의 AFM 지형 이미지는 그림 1g 및 h에 나와 있으며, 선 프로파일(삽입도)은 114 ± 6.4 nm 및 123 ± 2.0 nm의 필름 두께를 나타냅니다( 각각 약 8% 증가). 어닐링 후 막 두께 및 RMS의 증가는 비정질에서 결정도로 상전이가 나노결정 입자 성장으로 이어질 수 있습니다.
β-Ga2의 UV-Vis 흡수 스펙트럼 O3 어닐링 전후의 필름이 그림 1b에 나와 있습니다. 두 필름 모두 190–300 nm 범위에서 강한 UV 흡수를 보였고 가시광선 대역에서는 거의 흡수하지 않았습니다. 이는 어닐링 처리가 흡수단에 큰 영향을 미치지 않음을 보여주었다. 흡수 피크에서 약간의 향상과 함께 약 10 nm의 작은 적색 편이만 발생했습니다. 식 (1) 광학 밴드갭 에너지(E g) 영화.
$$ \alpha \left( h\nu \right)=A{\left( h\nu -E\mathrm{g}\right)}^{1/2} $$ (1)여기서 α 흡수 계수, hν 는 광자 에너지이고 A 상수입니다. AFM으로 측정한 필름 두께를 고려하면, E 증착된 필름과 어닐링된 필름의 g는 각각 5.137 eV 및 5.135 eV의 값을 나타내는 그림 1c의 플롯에서 결정할 수 있습니다. 이 값은 이론적인 E에 가깝습니다. β-Ga2에 대해 4.9 eV의 g O3 .
β-Ga2의 XPS 스펙트럼 O3 필름은 그림 2에 나와 있습니다. 그림 2a–c와 d–f는 풀 스캔, Ga 및 O 요소의 어닐링 전과 후의 XPS 스펙트럼을 각각 보여줍니다. 전체 스캔에서 관찰된 C 원소는 외래성 탄소였다. 어닐링 후 C 1 s 피크가 크게 감소하여 어닐링 처리 중에 대부분의 탄소가 제거되었음을 나타냅니다. 그림 2b와 e에서 Ga3d의 결합 에너지는 각각 21.14 eV와 20.70 eV에 해당하며, 이는 시료의 Ga-O 결합에 해당하며, 열처리 후 결합 에너지는 0.44 eV 감소합니다. O 1 피크는 산소 결손(OV ) 및 격자 산소(OL ). OV의 면적 비율 및 OL (예:SOV :SOL) 어닐링 전과 후는 각각 0.47과 0.12였다. 이것은 산소 원자가 적절한 격자 위치로 이동함에 따라 결정화로 이어지는 어닐링 처리로 인한 격자 산소 원자의 증가를 시사합니다.
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β-Ga2의 XPS 스펙트럼 O3 영화. 어닐링 전에 획득한 조사 스캔, Ga 3d 및 O1s 코어 레벨 피크는 a–c에 표시됩니다. 어닐링 후 d–f에 표시됩니다. , 각각
β-Ga2로 구성된 UV 광검출기 O3 필름을 제작했습니다. ITO/NiO/Ga2로 구성된 광검출기를 위한 간단한 수직 구조가 설계되었습니다. O3 /알. 장치 구조의 개략도는 그림 3a에 나와 있습니다. NiO 층은 사파이어 기판과 동일한 습식 세척 절차를 적용한 후 ITO 코팅 석영 기판에 먼저 스퍼터링되었으며 NiO 필름의 자세한 준비 및 특성은 추가 파일 1:그림 S1 및 그림 S2에 나와 있습니다. 가2 O3 그런 다음 위에서 언급한 증착 매개변수를 사용하여 층을 스퍼터링했습니다. 준비된 이종 접합은 ITO에 대한 가열 손상을 방지하기 위해 600°C에서 30분 동안 공기 중에서 어닐링되었습니다(β-Ga2 O3 550°C 이상의 어닐링 온도에서 형성될 수 있음), Al 전극의 증착(2 × 2 mm 2 ) Ga2 표면 O3 영화. 마지막으로 Al 전극과 ITO 기판을 각각 상부 전극과 하부 전극으로 사용하였다.
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아 ITO/NiO/β-Ga2로 구성된 소자 구조를 보여주는 개략도 O3 /알. ㄴ 광검출기의 에너지 밴드 다이어그램. c–d 측정된 J-V 및 로그 J-V 각각 다른 파장의 빛과 어두운 조건에서 조명된 광검출기의 곡선. e–f 측정된 J-V 및 로그 J-V 각각 다른 전력 밀도를 갖는 245 nm의 UV 조명 하에서 광검출기의 곡선. 으~ 반응성(R ) 및 탐지력(D *) 각각 245 nm 광 조명 아래 서로 다른 바이어스 전압에서의 광검출기
그림 3b는 광검출기의 에너지 밴드 다이어그램을 보여줍니다. E를 계산했습니다. 식에 따른 NiO 필름의 g. (1) 추가 파일 1에 표시된 대로:그림 S3. E NiO 필름의 g은 어닐링 후 약 3.4 eV입니다. β-Ga2의 넓은 밴드갭 에너지 O3 (5.1 eV) 및 NiO(3.4 eV) 층은 UV 광에 반응합니다. UV 조명 아래에서(hν ), 전자는 전자-정공 쌍을 생성하는 전도대로 이동하기에 충분한 에너지를 얻습니다. 이러한 광 발생 전자-정공 쌍은 내장 전기장에 의해 분리되고 각 전극에 의해 수집됩니다. 여기에서 적절한 밴드 정렬을 가진 이종 구조는 전하 분리 및 수집을 용이하게 할 수 있습니다.
이종접합 광검출기의 성능은 측정된 J -V 및 로그 J -V 백라이트 입사 장치에서 얻은 플롯. 그림 3 c 및 d는 J를 나타냅니다. -V 및 로그 J -V 각각 다른 파장의 빛과 어두운 조건에서 조명된 광검출기의 곡선. 광검출기에 27μWcm −2 의 245nm UV 광을 비추었을 때 , 전류 밀도의 급격한 증가, 최대 1.38mAcm −2 , 10 V의인가 전압에서 관찰되었으며, 전류 밀도는 285 및 365 nm UV 조명으로 조명될 때 증가합니다. 그러나 더 많은 전자-정공 쌍이 다른 두 개의 UV 광선에 비해 245 nm UV 광선에 의해 효과적으로 여기될 수 있어 장치의 깊은 UV 감지를 보여줍니다.
제 -V 및 로그 J -V 광검출기의 곡선은 각각 그림 3 e 및 f에 표시된 것처럼 다양한 전력 밀도로 245 nm의 UV 조명 하에서 측정되었습니다. 측정은 어두운 조건과 자외선 조건에서 수행되었습니다. 전류 밀도는 245nm UV 조명 아래에서 빛의 강도에 따라 증가합니다. 이는 광검출기가 245nm UV 광에 반응하여 광전류를 생성할 수 있음을 시사합니다.
응답성에 대한 바이어스 전압의 영향(R )는 그림 3g에 나와 있습니다. R 광전류 밀도(J ph ) 식에 따라 (2) [5]:
$$ R={J}_{\mathrm{ph}}/{P}_{\mathrm{opt}} $$ (2)여기서 P 선택 는 1.5mWcm −2 값을 갖는 광자 전력 밀도입니다. . R 증가 고정 광자 전력 밀도에서 장치의 바이어스 전압이 증가함에 따라 그림 3g에서 분명했습니다. 최대 R 27.43AW −1 였습니다. 245nm 조명(27μWcm −2 ) 10 V의 바이어스 전압에서.
탐정(D *)는 광검출기의 성능을 평가하는 또 다른 중요한 매개변수입니다. 디 * 광검출기의 *는 식을 사용하여 계산할 수 있습니다. (3) 다음과 같이 [20, 21]:
$$ {D}^{\ast }=R/{\left(2q\left|{J}_{\mathrm{d}}\right|\right)}^{1/2} $$ (3)여기서 q 절대 전자 전하(1.602 × 10 −19 ) C) 및 J d 암전류밀도이다. D 간의 관계 * 바이어스 전압은 D의 증가를 보여주는 그림 3h에 나와 있습니다. * 바이어스 전압이 증가함에 따라. 최대 D *는 3.14 × 10 12 였습니다. cmHz 1/2 W −1 245nm 조명(27μWcm −2 ) − 10 V의 바이어스 전압에서 R 값을 기준으로 함 그리고 디 *, NiO/β-Ga2 O3 광검출기는 다른 NiO 기반 및 Ga2와 비교하여 UV 감지에서 높은 성능을 입증했습니다. O3 표 1에 표시된 기반 UV 검출기
결론적으로 β-Ga2 O3 막은 RF 마그네트론 스퍼터링에 의해 제조되었으며 800 °C에서 어닐링 후 우수한 결정성을 나타냈습니다. 넓은 밴드갭 물질은 190–300 nm 범위에서 강한 UV 흡수를 나타냅니다. NiO/β-Ga2 기반의 심자외선 광검출기 O3 heterostructure는 245 nm UV 광선에 매우 민감하며 높은 반응성(R ) 및 탐지력(D *) 최대 27.43AW −1 및 3.14 × 10 12 cmHz 1/2 W −1 , 각각. UV 광검출기의 성능은 도핑 또는 장치 구조 최적화를 통해 더욱 향상될 수 있다고 믿어집니다.
본 원고에서 내린 결론은 본 논문에서 제시하고 제시한 데이터(본문 및 그림)를 기반으로 합니다.
원자력 현미경
인듐 주석 산화물
투과전자현미경
자외선
X선 광전자 분광법
X선 회절
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 논문에서는 HF 가스 분위기에서 Se막으로 코팅된 고저항 실리콘을 나노초 펄스 레이저 삭마에 의해 높은 트래핑 광학 Se가 도핑된 블랙 실리콘 재료를 제조하는 나노미터 블랙 실리콘의 새로운 준비 공정을 제안합니다. 결과는 어닐링 전 400-2200nm 대역의 평균 흡수율이 96.81%이고 600도에서 어닐링 후 81.28%를 유지함을 나타냅니다. 한편, 신기술로 제조된 블랙 실리콘은 이중 4사분면 광검출기에 사용되며, 그 결과 역 바이어스 50V에서 평균 단위 응답성은 1060nm에서 0.528A/W, 1180nm에서 0
