ZnO/β-Ga2의 밴드 오프셋에 대한 Al 도핑 효과 O3 인터페이스는 X선 광전자 분광법에 의해 특성화되고 첫 번째 원칙 시뮬레이션에 의해 계산됩니다. 전도대 오프셋은 1.39에서 1.67 eV까지 다양하고, 가전자대 오프셋은 0.06에서 - 0.42 eV로 감소하여 0에서 10%까지 변화하는 Al 도핑 비율에 대해 거의 선형 의존성을 나타냅니다. 결과적으로, ZnO/β-Ga2의 계면에서 type-I 밴드 정렬이 형성됩니다. O3 이종 접합 및 AZO/β-Ga2 O3 인터페이스에는 유형 II 밴드 정렬이 있습니다. 이것은 ZnO에 Al을 통합하면 강한 Al과 O 전자 혼합으로 인해 밴드 갭이 열리고 전도대와 가전자대 가장자리가 결과적으로 더 낮은 수준으로 이동하기 때문입니다.
<섹션 데이터-제목="배경">최근 산화물 반도체 Ga2 O3 큰 밴드갭, 높은 포화 전자 속도 및 높은 온도 저항과 같은 고유한 특성으로 인해 광범위한 관심을 받았습니다[1]. Ga2에는 5가지 종류의 이성질체가 있습니다. O3 :α, β, γ, δ 및 ε, 여기서 β-Ga2 O3 더 쉽게 자랄 수 있으며 널리 연구되었습니다[2]. 특히, β-Ga2 O3 SiC 및 GaN과 같은 기존의 3세대 반도체 재료보다 더 큰 항복 전계를 가지고 있습니다[3]. n형 전도성 특성은 Sn[4] 또는 Si[5]를 도핑하여 조절할 수 있습니다. 그래서 β-Ga2 O3 기반 장치[6, 7]는 정보 기술, 에너지 절약 및 배출 감소 분야에서 광범위한 응용 전망을 가지고 있습니다. 그러나 β-Ga2 O3 - 기반 장치에는 β-Ga2 간의 접촉이라는 공통된 제한 사항이 있습니다. O3 그리고 대부분의 금속은 넓은 밴드갭과 유한한 캐리어 농도에 의해 유도된 큰 장벽 때문에 쇼트키 경향이 있습니다. 최근에는 Ga2 사이에 ITO[8], AZO[9]와 같은 중간막을 삽입하여 O3 금속은 β-Ga2 사이의 에너지 장벽을 줄이는 유효한 방법인 것으로 나타났습니다. O3 및 금속.
Al이 도핑된 산화아연(ZnO)은 ITO보다 낮은 저항과 낮은 제조 비용 때문에 많은 주목을 받고 있다[10]. 특히, 높은 열적 안정성, 높은 이동도 및 캐리어 농도는 중간 반도체 층(ISL)의 유망한 후보가 됩니다[11]. 지금까지 Al이 도핑된 ZnO 필름은 MBE(molecular beam epitaxy)[12], 마그네트론 스퍼터링[13], CVD(Chemical Vapor Deposition)[14], ALD(Atomic Layer Deposition)[14] 기술을 통해 성장될 수 있습니다. 15]. 특히, ALD는 자기 제한적인 화학 흡착 및 자기 제한적인 순차 반응을 포함하는 자기 제한적인 표면 반응으로 인해 넓은 면적의 우수한 균일성을 나타내고 사이클당 성장률을 통일하는 나노 두께 필름을 제조하는 유명한 방법입니다[16]. 또한 ALD는 성장주기의 비율을 변경하여 계면 장애를 줄이고 Al 도핑 농도를보다 정확하게 조절할 수 있습니다.
전도대 오프셋(CBO)은 전자 수송을 위한 에너지 장벽을 결정하므로 더 작은 CBO는 옴 접촉을 형성하는 데 유리합니다. 우리의 이전 연구[17]에 기초하여, Al 도핑 농도를 증가시킴으로써 Al 도핑된 ZnO 막은 다결정에서 비정질 성질로 변화하고 밴드갭도 넓어진다. 그러나 서로 다른 Al 도핑된 ZnO/β-Ga2의 밴드 오프셋 O3 이종 접합은 널리 연구되지 않았습니다. 이 작업에서 서로 다른 Al 도핑 비율을 가진 ZnO 필름이 각각 β-Ga2 위에 증착되었습니다. O3 ALD에 의한 기질. 결과는 VBO와 CBO가 Al 도핑 비율에 거의 선형적으로 의존함을 보여줍니다.
기질은 벌크 β-Ga2입니다. O3 (\( \overline{2}01 \))이고 도핑 농도는 약 3 × 10 18 입니다. /cm 3 . Ga2의 청소 과정 O3 아세톤과 이소프로판올로 기판을 10분마다 초음파 세척을 3회 반복했습니다. 그 후, Ga2 O3 기질을 탈이온수로 헹구었다. 그 후, Al 도핑된 ZnO 필름이 Ga2 O3 ALD(Wuxi MNT Micro Nanotech Co., LTD, 중국)의 기판. 세 종류의 샘플을 준비했습니다. 첫째, 도핑되지 않은 ZnO 필름은 Zn(C2 H5 )2 (DEZ) 및 H2 O at 200 o C. 두 번째로, Al-도핑된 ZnO 필름은 트리메틸알루미늄(TMA)과 H2의 한 펄스를 추가하여 수행되었습니다. O DEZ 및 H2의 19번째 주기마다 200 o 기판 온도에서 O 펄스(5% Al 도핑으로 표시) ALD 동안 C. 세 번째로, 9:1 비율의 Al 도핑된 ZnO 필름(10% Al 도핑으로 표시됨)도 준비되었습니다. ZnO와 Al2의 성장률 O3 각각 0.16 및 0.1nm/사이클이었습니다. 모든 종류의 필름에는 두 가지 다른 두께, 즉 두꺼운 필름과 박막에 대해 각각 40nm 및 10nm가 포함되었습니다. 또한, β-Ga2 O3 기질은 벌크 재료를 연구하는 데 사용되었습니다. 가 2p , Zn 2p CL 및 VBM(가전자대 최대값)은 X-ray spectroscopy(XPS)(AXIS Ultra DLD, Shimadzu)로 측정했으며 XPS 스펙트럼의 분해능 단계는 0.05eV입니다. ALD에서 XPS 챔버로 이송하는 동안 시료의 표면 오염을 방지하기 위해 XPS 측정 전에 Ar 이온 에칭을 수행했습니다. 충전 효과는 XPS 스펙트럼과 C 1s의 BE를 이동할 수 있습니다. 피크는 문제를 해결하기 위해 284.8eV에서 보정됩니다.
Al 도핑된 ZnO/β-Ga2의 가전자대 오프셋(VBO) O3 이종접합은 다음 공식을 통해 얻을 수 있습니다[18]:
$$ \델타 {E}_V=\left({E}_{\mathrm{Ga}\ 2p}^{{\mathrm{Ga}}_2{\mathrm{O}}_3}-{E}_{ \mathrm{VBM}}^{{\mathrm{Ga}}_2{\mathrm{O}}_3}\right)-\left({E}_{\mathrm{Zn}\ 2p}^{\mathrm{ AZO}}-{E}_{\mathrm{VBM}}^{\mathrm{AZO}}\right)-\left({E}_{\mathrm{Ga}\ 2p}^{{\mathrm{Ga }}_2{\mathrm{O}}_3}-{E}_{\mathrm{Zn}\ 2p}^{\mathrm{AZO}}\right) $$ (1)
여기서\( {E}_{\mathrm{Ga}\ 2p}^{{\mathrm{Ga}}_2{\mathrm{O}}_3} \)는 Ga 2
이후 E g 및 ∆E V , Al 도핑된 ZnO/β-Ga2에서 CBO O3 인터페이스는 다음 방정식으로 계산할 수 있습니다.
$$ \Delta {E}_C={E}_g^{{\mathrm{Ga}}_2{\mathrm{O}}_3}-{E}_g^{\mathrm{AZO}}-\Delta {E }_V $$ (2)여기서\( {E}_g^{{\mathrm{Ga}}_2{\mathrm{O}}_3} \)는 Ga2의 밴드갭입니다. O3 그리고 \( {E}_g^{\mathrm{AZO}} \)는 Al-도핑된 ZnO의 밴드갭이다. 도핑되지 않은 5% Al 도핑 ZnO, 10% Al 도핑 ZnO 및 β-Ga2에 대한 밴드갭 O3 각각 3.20eV, 3.25eV, 3.40eV, 4.65eV입니다[17, 19]. 밴드갭은 Al 도핑 비율이 높을수록 증가하며 다음 부분의 시뮬레이션과 잘 일치합니다.
그림 1은 벌크 β-Ga2의 Ga 및 Zn 원소 CL 및 VBM을 보여줍니다. O3 , 도핑되지 않은 두꺼운 필름, 5% 및 10% Al 도핑된 ZnO 필름. VBM 스펙트럼에서 선형 영역과 플랫 밴드 영역을 맞추면 VBM을 추론할 수 있습니다[20]. 그림 2는 Ga 2p를 보여줍니다. 및 Zn 2p 다양한 얇은 Al 도핑 ZnO/β-Ga2의 CL O3 이종 접합. Ga 2p의 BE 차이점 및 Zn 2p 도핑되지 않은 5% Al 도핑 ZnO/β-Ga2에 대한 CL O3 및 10% Al 도핑된 ZnO/β-Ga2 O3 각각 96.12eV, 96.16eV, 95.94eV가 됩니다. 그런 다음 인터페이스의 VBO는 도핑되지 않은 5% Al 도핑 ZnO/β-Ga2에 대해 1.39 eV, 1.52 eV 및 1.67 eV로 결정됩니다. O3 및 10% Al 도핑된 ZnO/β-Ga2 O3 각각 샘플입니다.
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a의 코어 레벨 및 최대 가전자대(VBM)에 대한 고해상도 XPS 스펙트럼 가 2p 베어 β-Ga2의 코어 레벨 스펙트럼 및 VBM O3 , b Zn 2p 두꺼운 순수 ZnO/β-Ga2의 코어 레벨 스펙트럼 및 VBM O3 , ㄷ Zn 2p 두꺼운 5% Al 도핑 ZnO/β-Ga2의 코어 레벨 스펙트럼 및 VBM O3 , 및 d Zn 2p 두꺼운 10% Al 도핑 ZnO/β-Ga2의 코어 레벨 스펙트럼 및 VBM O3
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Ga 2p의 핵심 레벨 스펙트럼 및 Zn 2p a의 고해상도 XPS 스펙트럼에서 얻음 얇은 ZnO/β-Ga2 O3 , b 얇은 5% Al 도핑된 ZnO/β-Ga2 O3 , 및 c 얇은 10% Al 도핑 ZnO/β-Ga2 O3
0%, 5% 및 10% Al 도핑된 ZnO/β-Ga2에 대한 체계적인 밴드 정렬 O3 이종 접합은 그림 3과 같이 위의 방정식으로 계산됩니다. 도핑되지 않은 ZnO/β-Ga2의 밴드 오프셋 O3 이종 접합은 유형 I에 속합니다. 5% 및 10% Al-도핑된 ZnO/β-Ga2 O3 이종 접합에는 유형 II 대역 오프셋이 있습니다. 그림 4는 Al 도핑된 ZnO/β-Ga2의 밴드 정렬을 보여줍니다. O3 계면은 Al 도핑 농도와 유사한 선형 관계를 갖는다. CBO는 1.39에서 1.67 eV까지 다양하며 Al 도핑 농도는 0에서 10%까지 증가합니다. VBO는 0.06에서 - 0.42eV로 감소하고 Al 도핑 농도는 0에서 10%로 증가합니다. 스퍼터링된 AZO/β-Ga2에 대한 CBO 및 VBO는 O3 각각 0.79eV 및 0.61eV입니다[9]. 전도대와 가전자대가 이 연구에서 아래쪽으로 이동하는데, 이는 증착 방법에 의해 도입된 다른 조성비와 결정 구조 때문일 수 있습니다.
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a의 개략적인 밴드 정렬 다이어그램 순수한 ZnO/β-Ga2 O3 , b 5% Al 도핑된 ZnO/β-Ga2 O3 , 및 c 10% Al 도핑 ZnO/β-Ga2 O3
<그림><그림><소스 유형="이미지/webp" srcset="//media.springerature.com/lw685/springer-static/image/art%3A10.1186%2Fs11671-019-3092-x/MediaObjects/ 11671_2019_3092_Fig4_HTML.png?as=webp">
원자층 증착 AZO/β-Ga2의 전도 및 가전자대 오프셋 O3 다른 Al 도핑 비율로 제작된 이종 접합
그 외에 VASP(Vienna Ab-initio Simulation Package)[21,22,23,24]에서 첫 번째 원칙 시뮬레이션을 수행하여 Al 도핑된 ZnO/Ga2의 전자 밴드 구조 및 밴드 정렬을 조사했습니다. O3 이종 접합. 계산하는 동안 전자-이온 상호 작용은 초연성 유사 전위로 처리되고 파동 함수와 전위는 평면파 기반으로 확장됩니다[25]. 또한 Perdew, Burke, Ernzerhof(PBE)가 제안한 GGA(generalized gradient approximation)가 교환 상관 에너지를 설명하기 위해 구현되었습니다[26]. 시뮬레이션을 시작하기 전에 수렴 테스트를 수행했습니다. Monkhorst Pack 방식을 사용하여 평면파 기반에 대한 450eV의 차단 에너지와 3 × 3 × 3의 k-공간 그리드가 잘 수렴된 결과를 제공함을 보여주었습니다. 구조 최적화에서는 conjugate gradient 방법을 사용하여 0.01eV/Å 미만이 될 때까지 잔류력을 해제했습니다. 또한 semi-local PBE approximation을 기반으로 하는 하이브리드 밀도 함수가 구현되었습니다. 과소평가된 밴드갭을 수정하기 위해 PBE 교환의 35%를 정확한 것으로 교체하였다[27]. Al 도핑 수준의 변화에 따른 밴드 에지 이동을 식별하기 위해 평균 정전기 전위(AEP)를 계산하고 0V로 조정된 진공 수준에 정렬했습니다. 결과적으로 VBM 및 전도대 최소값(CBM)은 다음과 같이 정렬되었습니다. 밴드 다이어그램에 기반한 AEP [28]. 이 작업에서는 슈퍼셀에 16개의 O 원자와 16개의 Zn 원자를 가진 벌크 ZnO가 사용되었습니다. Al 도핑을 도입하기 위해 슈퍼셀에서 1개 또는 2개의 Zn 원자가 Al 원자로 대체되어 각각 3.21% 및 6.25%의 도핑 농도를 갖는 Al 도핑 구조를 생성했습니다.
그림 5a-c는 각각 도핑되지 않은 3.21% Al 도핑 ZnO 및 6.25% Al 도핑 ZnO 구조의 계산된 밴드 다이어그램을 보여줍니다. 이는 ZnO가 3.42eV의 밴드갭을 갖는 직접적인 밴드갭 반도체이며, CBM과 VBM이 브릴루앙 영역의 Γ 지점에 위치함을 명확하게 보여줍니다. 이러한 이론적 시뮬레이션 결과는 실험 값과 매우 잘 일치합니다[29]. Al 도핑으로 페르미 준위가 전도대로 위쪽으로 이동하여 순수한 ZnO를 n형 반도체로 변환한다는 것을 알 수 있었습니다. 한편, 밴드갭은 3.21% Al 도핑 ZnO 및 6.25% Al 도핑 ZnO에 대해 각각 4.83 eV 및 5.42 eV로 증가했습니다. 도핑된 ZnO에 대한 밴드갭이 우리의 실험 결과보다 높지만; 그러나 이는 계면 결함 상태 및 기타 결정 결함을 무시했기 때문일 수 있습니다.
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a의 계산된 밴드 다이어그램 도핑되지 않은 ZnO, b 3.21% Al 도핑된 ZnO 및 c 6.25% Al 도핑된 ZnO 구조. 페르미 레벨은 0eV로 설정되었습니다.
그림 6a-c는 진공 수준에 대한 도핑되지 않은 3.21% Al 도핑 ZnO 및 6.25% Al 도핑 ZnO의 밴드 정렬을 나타냅니다. 재료의 전도대의 경우, Al과 O 원소 사이의 강한 전자 혼합으로 인해 에너지 준위가 ZnO의 - 6.19 eV에서 3.21% Al이 도핑된 ZnO( ΔE =0.62 eV) 및 6.25% Al 도핑 ZnO(ΔE)의 경우 - 7.48 eV로 추가 감소 =1.29 eV). 한편, 밴드갭의 개방으로 인해 가전자대 가장자리가 ZnO의 경우 - 9.59eV에서 3.21% Al-도핑된 ZnO의 경우 - 11.64eV로 아래쪽으로 이동한다는 것을 알 수 있었습니다(ΔE =2.05 eV) 및 − 12.9 eV(6.25% Al 도핑 ZnO의 경우 ΔE =3.31 eV). 전체적으로 강한 Al과 O 전자 혼합으로 인해 ZnO에 Al을 통합하면 밴드 갭이 열리는 것으로 이해할 수 있습니다. 더욱이, 그것은 진공 준위에 정렬될 때 전도대와 가전자대 가장자리를 더 낮은 에너지 준위로 이동시킬 것입니다.
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AZO/β-Ga2의 밴드 정렬 O3 a 이종접합 도핑되지 않은 b 3.21% 및 c 6.25% Al 도핑된 ZnO. 진공 수준은 0eV로 조정되었습니다.
결론적으로, 서로 다른 Al 도핑된 ZnO/β-Ga2의 밴드 정렬 O3 (\( \overline{2} \)01) 인터페이스는 XPS에서 조사되었습니다. ZnO/β-Ga2의 계면에서 I형 밴드 정렬이 형성됩니다. O3 이종 접합. AZO/β-Ga2 O3 인터페이스에는 유형 II 밴드 정렬이 있습니다. CBO는 1.39에서 1.67 eV까지 다양하고 VBO는 0.06에서 - 0.42 eV로 감소하며 Al 도핑 농도는 0에서 10%까지 증가합니다. 더욱이, 밀도 함수 계산은 Al이 ZnO에 포함될 때 강한 Al과 O 전자 혼합으로 인해 밴드 오프셋이 변경됨을 보여줍니다. 이러한 결과는 순수한 ZnO가 장벽 높이를 줄이고 전자 수송을 촉진하는 유효한 ISL임을 시사합니다.
이 원고의 결론을 뒷받침하는 데이터 세트가 원고에 포함되어 있습니다.
평균 정전기 전위
원자층 증착
결속력
전도대 최소
전도대 오프셋
핵심 레벨
핵심 레벨
화학 기상 증착
Zn(C2 H5 )2
산화갈륨
질화갈륨
일반화된 기울기 근사
중간 반도체층
퍼듀, 버크, 에른처호프
탄화규소
트리메틸알루미늄
Vienna Ab 초기 시뮬레이션 패키지
원자가 밴드 최대값
가전자대 오프셋
X선 분광법
산화아연
나노물질
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
초록 AZO 전도층의 저항률이 MCP 저항 요구 사항 이내일 때 Zn 함량의 간격은 매우 좁고(70-73%) 제어하기 어렵습니다. 마이크로채널 플레이트 상의 AZO 전도층의 특성을 고려하여 전도성 물질인 ZnO와 고저항 물질인 Al2O3의 비율을 조절하는 알고리즘을 설계하였다. 우리는 MCP의 작동 저항(즉, 마이크로 채널에서 전자 눈사태 동안의 저항)의 개념을 제시합니다. AZO-ALD-MCP(Al2O3/ZnO 원자층 증착 마이크로 채널 플레이트)의 작동 저항은 MCP 저항 테스트 시스템에 의해 처음으로 측정되었습니다. 기존 M
