초고감도 NiO/β-Ga₂O₃ 이종접합 UV 포토디텍터: 첨단 응용을 위한 개발

요약

자외선(UV) 포토디텍터는 방위 기술부터 광통신까지 광범위한 응용 분야로 인해 큰 관심을 받아왔습니다. 넓은 밴드갭 금속 산화물 반도체 소재는 독특한 전자적, 광학적 특성 덕분에 UV 포토디텍터 개발에 유망한 소재로 주목받고 있습니다. 본 연구에서는 NiO/β-Ga₂O₃ 이종접합 기반의 심자외선 포토디텍터를 개발하고 그 특성을 조사했습니다. β-Ga₂O₃ 박막은 마그네트론 스퍼터링으로 제조되었으며, 어닐링 후 (2̄01) 결정면 족을 따라 선택적 배향성을 보였습니다. 이 포토디텍터는 245 nm 조명(27 μW/cm²) 하에서 27.43 A/W의 높은 응답도(R)와 3.14 × 10¹² cmHz¹/²/W의 최대 탐지율(D*)을 나타냈으며, 이는 p-NiO/n-β-Ga₂O₃ 이종접합에 기인합니다.

배경

자외선(UV) 포토디텍터는 미사일 경보, 생화학 분석, 화염 및 오존 감지, 광통신 등 광범위한 응용 분야로 인해 많은 연구 관심을 받아왔습니다. SiC와 GaN 반도체에 비해 넓은 밴드갭 금속 산화물 반도체 기반 UV 포토디텍터는 여러 장점을 가집니다. 예를 들어 금속 산화물 기반 포토디텍터는 쉽게 산화되지 않고 민감한 반응을 보이며, 조작이 쉽고 소형화할 수 있습니다[1, 2]. 따라서 넓은 밴드갭 금속 산화물과 그 소자는 최근 수년간 많은 연구 관심을 끌고 있습니다. 지금까지 ZnO[3-5], TiO₂[6, 7], SnO₂[8], NiO[9], Ga₂O₃[10, 11] 등의 금속 산화물이 고성능 UV 포토디텍터용으로 연구되어 왔습니다. 그중 안정상인 β-Ga₂O₃는 ~4.9 eV의 초광대역 밴드갭을 가진 직접 천이형 반도체로 UV 대역에 효과적으로 반응하며, 용이한 성장 공정이 추가적 이점입니다.

여러 연구 그룹이 두 가지 다른 금속 산화물 반도체로 구성된 이종접합 소자를 개발해 UV 포토디텍터 성능 향상을 시도해 왔습니다. 예를 들어 Zhao 등은 ZnO-Ga₂O₃ 코어-쉘 이종구조 UV 포토디텍터를 보고했는데, 눈사태 증배 효과로 초고감도 응답도와 탐지율을 보였습니다[12, 13]. 본 연구에서는 NiO/β-Ga₂O₃ 같은 다른 금속 산화물 이종접합을 조사해 고성능 UV 포토디텍터를 구현했습니다. 첫째, β-Ga₂O₃와 NiO의 격자 상수 불일치가 상대적으로 작습니다. 또한 NiO의 밴드갭은 이전 연구에 사용된 ZnO보다 큽니다. NiO의 p형 거동과 n형 β-Ga₂O₃는 NiO/β-Ga₂O₃ 이종접합의 전기적 특성을 파워 전자 소자 응용 관점에서 연구하게 했으나[14], 포토디텍터 활용에 대한 보고는 제한적이었습니다. 본 연구에서는 인듐 주석 산화물(ITO) 투명 기판 위에 마그네트론 스퍼터링으로 NiO/β-Ga₂O₃ 기반 UV 포토디텍터를 제작했습니다. 결과적으로 이 포토디텍터는 245 nm UV 빛에 대해 우수한 감도와 양호한 안정성을 보였습니다.

방법

Ga₂O₃와 NiO 세라믹 타겟(99.99%)은 중누오 첨단소재(베이징)기술유한공사에서 구매했습니다. 사파이어 기판(0001면)은 베이징 피직 테크놀로지 유한공사에서, ITO 코팅 석영 기판은 베이징 진지 아오멍 테크놀로지 유한공사에서 구매했습니다. 실험에 사용된 모든 시약은 추가 정제 없이 사용했습니다.

β-Ga₂O₃ 박막은 실온에서 RF 마그네트론 스퍼터링으로 제조했습니다. 특성 분석을 위해 사파이어 기판(0001면)에 박막을 증착했습니다. 증착 전 기판을 암모니아수, 과산화수소, 탈수(1:1:3) 혼합 용액에 넣고 80°C에서 30분간 습식 세정했습니다. 탈수로 반복 세척하고 질소로 건조해 표면 오염을 제거함으로써 박막의 균일성과 기판 접착력을 높였습니다. 스퍼터링은 0.7 Pa 압력에서 산소와 아르곤을 각각 5, 95 sccm 유량으로 수행했습니다. 200 W 스퍼터링 파워로 60분간 박막을 증착했습니다. 마지막으로 증착된 박막을 공기 중 800°C에서 60분간(승온 속도 10°C/min) 어닐링했습니다.

Ga₂O₃ 박막의 결정 구조는 X선 회절(XRD, EMPYREAN)과 투과 전자 현미경(TEM, JEM-2100)으로 연구했습니다. 사파이어 기판 위 Ga₂O₃ 박막의 흡수 스펙트럼은 UV-Vis 분광법(iHR-320)으로 측정해 광학 밴드갭을 추정했습니다. 증착된 Ga₂O₃ 박막의 표면 형태와 두께는 원자힘 현미경(AFM, SPA-400)과 광학 현미경(LEICA DM 2700 M)으로 분석했습니다. Ga₂O₃ 박막의 원소 분석은 X선 광전자 분광법(XPS, K-Alpha+)으로 수행했습니다. NiO/β-Ga₂O₃ 포토디텍터의 전류-전압(J-V) 측정은 Keithley 2400 소스미터로 수행했습니다. 모든 측정은 실온에서 진행했습니다.

결과 및 논의

그림 1a는 사파이어 기판(0001면) 위에 성장한 Ga₂O₃ 박막의 어닐링 전후 XRD 패턴입니다. 어닐링 전 증착된 박막은 기판과 관련된 두 피크(“*” 표시)만 관측되어 비정질 상태였습니다. 800°C 어닐링 후 XRD 패턴에서 β-Ga₂O₃의 β상 결정면에 해당하는 6개의 특성 피크가 나타났으며, 이는 단사정계에 속합니다. 관측된 패턴은 선행 연구[15, 16]와 일치합니다. 어닐링된 β-Ga₂O₃ 박막의 특성 피크는 (2̄01) 결정면 족을 따라 우선 배향성을 가진 우수한 결정성을 보였습니다.

a 사파이어 기판(0001면) 위 β-Ga₂O₃ 박막의 XRD 패턴, 기판 피크는 별표(*)로 표시. b β-Ga₂O₃ 박막의 UV-Vis 흡수 스펙트럼. c [α(hν)]² 대 광자 에너지 플롯. d-e 어닐링 후 β-Ga₂O₃ 박막의 TEM 및 HRTEM 이미지. f β-Ga₂O₃ 박막의 AFM 이미지. g-h 박막과 기판 계단 모서리의 광학 및 AFM 이미지

그림 1d, e는 어닐링 후 β-Ga₂O₃ 박막의 TEM 및 HRTEM 이미지입니다. (2̄01), (400), (2̄02) 결정면의 격자 무늬 간격은 각각 4.69 Å, 2.97 Å, 2.83 Å로, 우수한 결정성을 나타내며 문헌[17, 18]과 잘 일치합니다.

사파이어 기판 위 β-Ga₂O₃ 박막의 AFM 이미지는 그림 1f에 나와 있습니다. 증착된 박막은 균일한 입상 표면 지형을 보이며 RMS 표면 거칠기는 1.36 nm로 작았습니다. 어닐링 후 RMS 거칠기는 1.68 nm로 증가했습니다. Hao 등도 어닐링 후 RMS 거칠기 증가를 보고한 바 있습니다[19]. 어닐링 처리로 표면 구조적 결함이 생길 수 있으며, 표면 형태 변화의 원인을 이해하기 위한 추가 연구가 필요합니다. 어닐링 전후 박막과 기판 계단 모서리의 AFM 지형 이미지는 그림 1g, h에 나와 있으며, 삽입된 선 프로파일에서 박막 두께는 각각 114 ± 6.4 nm, 123 ± 2.0 nm(약 8% 증가)였습니다. 어닐링 후 박막 두께와 RMS 증가는 비정질에서 결정상으로의 상전이로 인한 나노결정 입자 성장에 기인할 수 있습니다.

어닐링 전후 β-Ga₂O₃ 박막의 UV-Vis 흡수 스펙트럼은 그림 1b에 나와 있습니다. 두 박막 모두 190–300 nm 범위에서 강한 UV 흡수를 보였고 가시광선 대역에서는 거의 흡수하지 않았습니다. 이는 어닐링 처리가 흡수 모서리에 유의미한 영향을 주지 않음을 보여주며, 약 10 nm의 적색 편이와 흡수 피크의 약간의 향상만 초래했습니다. 식 (1)로 박막의 광학 밴드갭 에너지(Eg)를 추정할 수 있습니다.

$$ \alpha \left( h\nu \right)=A{\left( h\nu -E\mathrm{g}\right)}^{1/2} $$ (1)

여기서 α는 흡수 계수, hν는 광자 에너지, A는 상수입니다. AFM으로 측정한 박막 두께를 고려해 그림 1c의 플롯에서 증착된 박막과 어닐링된 박막의 Eg를 각각 5.137 eV, 5.135 eV로 결정했습니다. 이 값들은 β-Ga₂O₃의 이론적 Eg인 4.9 eV에 가깝습니다.

β-Ga₂O₃ 박막의 XPS 스펙트럼은 그림 2에 나와 있습니다. 그림 2a-c와 d-f는 어닐링 전후의 전체 스캔, Ga, O 원소의 XPS 스펙트럼입니다. 전체 스캔에서 관측된 C 원소는 부착 탄소입니다. 어닐링 후 C 1s 피크가 현저히 감소해 대부분의 탄소가 어닐링 중 제거되었음을 알 수 있습니다. 그림 2b, e의 Ga3d 결합 에너지는 각각 21.14 eV, 20.70 eV로 시료의 Ga-O 결합에 해당하며, 어닐링 후 결합 에너지가 0.44 eV 감소했습니다. O 1s 피크는 산소 공공(Ov)과 격자 산소(Ol) 두 성분으로 피팅되었습니다. Ov와 Ol의 면적 비(S_Ov:S_Ol)는 어닐링 전 0.47, 어닐링 후 0.12로, 어닐링 처리로 산소 원자가 적절한 격자 위치로 이동해 결정화가 진행되면서 격자 산소 원자가 증가했음을 시사합니다.

β-Ga₂O₃ 박막의 XPS 스펙트럼. 어닐링 전 서베이 스캔, Ga 3d, O1s 코어 레벨 피크는 a-c, 어닐링 후는 d-f에 표시

β-Ga₂O₃ 박막으로 구성된 UV 포토디텍터를 제작했습니다. 소자는 ITO/NiO/Ga₂O₃/Al의 간단한 수직 구조로 설계했습니다. 소자 구조 개략도는 그림 3a에 나와 있습니다. 먼저 사파이어 기판과 같은 습식 세정 과정을 거친 ITO 코팅 석영 기판 위에 NiO 층을 스퍼터링했으며, NiO 박막의 상세 제조 및 특성 분석은 추가 파일 1: Figure S1, S2에 나와 있습니다. 앞서 언급한 증착 파라미터로 Ga₂O₃ 층을 스퍼터링했습니다. 제조된 이종접합을 공기 중 600°C에서 30분간 어닐링해 ITO 열 손상을 방지했습니다(β-Ga₂O₃는 550°C 이상 어닐링에서 형성됨). 이후 Ga₂O₃ 박막 표면에 Al 전극(2 × 2 mm²)을 증착했습니다. 최종적으로 Al 전극과 ITO 기판을 각각 상부 및 하부 전극으로 사용했습니다.

a ITO/NiO/β-Ga₂O₃/Al로 구성된 소자 구조 개략도. b 포토디텍터의 에너지 밴드 다이어그램. c-d 서로 다른 파장 조명 및 암조건 하에서 측정된 J-V 및 log J-V 곡선. e-f 245 nm UV 조명 하에서 서로 다른 전력 밀도에 대한 J-V 및 log J-V 곡선. g-h 245 nm 조명 하에서 바이어스 전압에 따른 응답도(R)와 탐지율(D*)

그림 3b는 포토디텍터의 에너지 밴드 다이어그램입니다. 추가 파일 1: Figure S3의 식 (1)에 따라 NiO 박막의 Eg를 계산한 결과 어닐링 후 약 3.4 eV였습니다. β-Ga₂O₃(5.1 eV)와 NiO(3.4 eV) 층의 넓은 밴드갭은 UV 빛에 반응합니다. UV 조명(hν) 하에서 전자는 전도대로 전이할 만큼 충분한 에너지를 얻어 전자-정공 쌍을 생성합니다. 이 광생성 전자-정공 쌍은 내장 전기장에 의해 분리돼 각 전극으로 수집됩니다. 여기에서 적절한 밴드 정렬을 가진 이종구조는 전하 분리와 수집을 촉진할 수 있습니다.

이종접합 포토디텍터의 성능은 측정된 J-V 및 log J-V 플롯으로 연구했으며, 이는 후면 입사 소자에서 획득했습니다. 그림 3c, d는 서로 다른 파장 빛으로 조명된 포토디텍터와 암조건에서의 J-V 및 log J-V 곡선입니다. 245 nm UV 빛(27 μW/cm²)으로 조명했을 때, 10 V 인가 전압에서 전류 밀도가 1.38 mA/cm²로 급격히 증가했습니다. 285 nm와 365 nm UV 빛에서도 전류 밀도가 증가했으나, 245 nm UV 빛이 다른 두 파장보다 전자-정공 쌍을 더 효과적으로 여기시켜 심자외선 검출 능력을 보여주었습니다.

245 nm UV 조명 하에서 다양한 전력 밀도에 대한 J-V 및 log J-V 곡선을 그림 3e, f에 나타냈습니다. 암조건과 UV 조명 조건에서 측정했습니다. 245 nm UV 조명 하에서 빛 세기가 강해질수록 전류 밀도가 증가해 포토디텍터가 245 nm UV 빛에 반응해 광전류를 생성할 수 있음을 보여줍니다.

바이어스 전압이 소자 응답도(R)에 미치는 영향은 그림 3g에 나와 있습니다. R은 식 (2)[5]에 따라 광전류 밀도(J_ph)와 관련됩니다.

$$ R={J}_{\mathrm{ph}}/{P}_{\mathrm{opt}} $$ (2)

여기서 P_opt는 광자 전력 밀도로 1.5 mW/cm²입니다. 그림 3g에서 고정된 광자 전력 밀도 하에 바이어스 전압이 증가함에 따라 R이 증가함을 볼 수 있습니다. 최대 R은 245 nm 조명(27 μW/cm²)에서 10 V 바이어스 전압 시 27.43 A/W로 측정되었습니다.

탐지율(D*)은 포토디텍터 성능 평가의 또 다른 중요 매개변수입니다. D*는 식 (3)[20, 21]으로 계산할 수 있습니다.

$$ {D}^{\ast }=R/{\left(2q\left|{J}_{\mathrm{d}}\right|\right)}^{1/2} $$ (3)

여기서 q는 기본 전하량(1.602 × 10⁻¹⁹ C), J_d는 암전류 밀도입니다. D*와 바이어스 전압의 관계는 그림 3h에 나와 있으며, 바이어스 전압 증가에 따라 D*도 증가합니다. 최대 D*는 245 nm 조명(27 μW/cm²)에서 -10 V 바이어스 전압 시 3.14 × 10¹² cmHz¹/²/W로 측정되었습니다. R과 D* 값을 바탕으로 NiO/β-Ga₂O₃ 포토디텍터는 표 1에 나타난 다른 NiO 기반 및 Ga₂O₃ 기반 UV 디텍터와 비교해 UV 검출에서 고성능을 입증했습니다.

결론

결론적으로 β-Ga₂O₃ 박막은 RF 마그네트론 스퍼터링으로 제조되었으며 800°C 어닐링 후 우수한 결정성을 보였습니다. 이 광대역 밴드갭 물질은 190–300 nm 범위에서 강한 UV 흡수를 나타냈습니다. NiO/β-Ga₂O₃ 이종구조 기반 심자외선 포토디텍터는 245 nm UV 빛에 고감도로 반응하며, 응답도(R)와 탐지율(D*)이 각각 최대 27.43 A/W, 3.14 × 10¹² cmHz¹/²/W에 달했습니다. 도핑이나 소자 구조 최적화를 통해 UV 포토디텍터 성능을 더욱 향상시킬 수 있을 것으로 기대됩니다.

데이터 및 재료 가용성

본 원고의 결론은 본 논문의 메인 텍스트와 그림에 제시된 데이터를 기반으로 합니다.

약어

AFM:

원자힘 현미경

ITO:

인듐 주석 산화물

TEM:

투과 전자 현미경

UV:

자외선

XPS:

X선 광전자 분광법

XRD:

X선 회절