基于 NiO/β-Ga2O3 异质结的高性能深紫外光电探测器

背景

由于紫外（UV）光电探测器的广泛应用，如导弹预警、生化分析、火焰和臭氧检测以及光通信等，因此在开发紫外（UV）光电探测器方面有很多研究兴趣。与 SiC 和 GaN 半导体相比，基于宽带隙金属氧化物半导体的紫外光电探测器具有许多优势。例如，基于金属氧化物的光电探测器不易氧化并表现出灵敏的响应。此外，它们易于操作并且可以做得很小[1, 2]。因此，近年来宽带隙金属氧化物及其器件引起了广泛的研究关注。迄今为止，诸如 ZnO [3,4,5]、TiO2 [6, 7]、SnO2 [8]、NiO [9] 和 Ga2O3 [10, 11] 等金属氧化物已被研究用作高性能紫外线光电探测器。其中，稳定相 Ga2O3 (β-Ga2O3) 是一种直接带隙半导体，具有~ 4.9 eV 的超宽带隙，可有效响应紫外波段，因此正成为紫外光电探测器的首选材料。材料的易生长过程是一个额外的优势。

几个小组试图通过开发由两种不同的金属氧化物半导体组成的异质结器件来提高紫外光电探测器的性能。例如，赵等人。报道了 ZnO-Ga2O3 核壳异质结构紫外光电探测器的研究，由于雪崩倍增效应，该探测器表现出超高的响应度和探测率 [12, 13]。在这项工作中，研究了不同的金属氧化物异质结，如 NiO/β-Ga2O3，以提供高性能的紫外光电探测器。首先，β-Ga2O3 和 NiO 的晶格失配相对较小。此外，NiO 的带隙大于先前研究中使用的 ZnO。 NiO 和 n 型 β-Ga2O3 的 p 型行为导致了一些关于用于电力电子应用的 NiO/β-Ga2O3 异质结电性能研究的报告 [14]；然而，关于在光电探测器中使用异质结的报道有限。在这项研究中，NiO/β-Ga2O3 基紫外光电探测器是通过磁控溅射在氧化铟锡 (ITO) 透明基板上生产的。结果表明，NiO/β-Ga2O3光电探测器对紫外光（245 nm）具有良好的灵敏度和良好的稳定性。

方法

Ga2O3和NiO陶瓷靶材（99.99%）购自中诺新材料（北京）科技有限公司。（0001）面蓝宝石衬底购自北京飞思克科技有限公司。ITO涂层石英衬底购自北京金基奥盟科技有限公司，本实验所用化学试剂均未经进一步纯化使用。

β-Ga2O3 薄膜是在室温下通过射频磁控溅射制备的。为了表征，将薄膜沉积在具有 (0001) 平面的蓝宝石衬底上。在沉积之前，将基板在氨水、过氧化氢和去离子水 (1:1:3) 的混合溶液中在 80 °C 下湿洗 30 分钟。用去离子水反复冲洗并用氮气干燥以去除表面污垢，这将提高薄膜在基材上的均匀性和附着力。溅射在 0.7 Pa 的压力下进行，氧气和氩气分别以 5sccm 和 95sccm 的速率流动。在薄膜沉积过程中，使用 200 W 的溅射功率持续 60 分钟。最后，将沉积的薄膜在空气中以10 ℃/min的升温速率在800℃（60分钟）下退火。

使用 X 射线衍射 (XRD, EMPYREAN) 和透射电子显微镜 (TEM, JEM-2100) 研究了 Ga2O3 膜的晶体结构。蓝宝石衬底上的 Ga2O3 薄膜的吸收光谱是通过紫外-可见光谱 (iHR-320) 测量的，这也提供了对薄膜光学带隙的估计。使用原子力显微镜（AFM，SPA-400）和光学显微镜（LEICA DM 2700 M）表征沉积的 Ga2O3 膜的表面形态和厚度。 Ga 2 O 3 膜的元素分析通过X射线光电子能谱(XPS，K-Alpha+)进行。电流-电压 (J -V ) 在 NiO/β-Ga2O3 光电探测器上的测量是使用 Keithley 2400 源计进行的。所有测量均在室温下进行。

结果与讨论

图 1a 显示了在退火前后在蓝宝石衬底的 (0001) 面上生长的 Ga2O3 膜的 XRD 图案。在退火之前，沉积的薄膜表现出非晶态，因为在图案中仅观察到两个与基板相关的峰（标记为“*”）。薄膜在 800 ℃下退火后，XRD 谱显示六个特征峰对应于 Ga2O3 β 相晶面，属于单斜晶系。观察到的模式与先前报道的工作一致 [15, 16]。退火β-Ga2O3薄膜的这些特征峰显示出良好的结晶度，沿(\( \overline{2} \) 01)晶面族优先取向。

一 沉积在蓝宝石衬底（0001）平面上的β-Ga2O3薄膜的XRD图谱，蓝宝石衬底的峰用星号（*）标记。 b β-Ga2O3 薄膜的紫外-可见吸收光谱。 c [α (hν )] ² 与光子能量。 d–e β-Ga2O3 薄膜退火后的 TEM 和 HRTEM 图像。 f β-Ga2O3 薄膜的 AFM 图像。 g–h 薄膜与基板之间台阶边缘的光学和AFM图像

图 1d 和 e 是退火后 β-Ga2O3 薄膜的 TEM 和 HRTEM 图像。如图所示，(\(\overline{2}\)01)、(400)和(\(\overline{2}\)02)晶面的晶格条纹间距分别为4.69 Å、2.97 Å和2.83 Å , , 这再次表明良好的结晶度，并且与之前文献报道的工作一致 [17, 18]。

沉积在蓝宝石衬底上的 β-Ga2O3 薄膜的 AFM 图像如图 1f 所示。沉积后的薄膜表现出均匀的颗粒状表面形貌，均方根 (RMS) 表面粗糙度相对较小，为 1.36 nm。退火后，薄膜的RMS粗糙度增加到1.68 nm。 Hao 等人 [19] 也报道了退火后 RMS 粗糙度的这种增加。退火处理可能会导致表面结构缺陷。需要进一步研究以了解退火后表面形态变化的原因。退火前后薄膜和基板之间台阶边缘的 AFM 形貌图像如图 1g 和 h 所示，其中线轮廓（在插图中）表明薄膜厚度为 114 ± 6.4 nm 和 123 ± 2.0 nm（约 8% 的增长），分别。退火后薄膜厚度和RMS的增加可能是从非晶态到结晶态的相变导致纳米晶粒长大。

β-Ga2O3 薄膜退火前后的 UV-Vis 吸收光谱如图 1b 所示。两种薄膜都在 190-300 纳米范围内表现出强烈的紫外线吸收，而在可见光波段几乎没有吸收。这表明退火处理对吸收边没有显着影响。它仅导致约 10 nm 的小红移，吸收峰略有增强。等式(1) 可用于估计光学带隙能量 (E g) 电影。

其中 α 是吸收系数，hν 是光子能量，A 是一个常数。考虑到 AFM 测量的薄膜厚度，E 沉积和退火薄膜的 g 可以从图 1c 中的曲线确定，其值分别为 5.137 eV 和 5.135 eV。这些值接近理论 E β-Ga2O3 的 g 为 4.9 eV。

β-Ga2O3 薄膜的 XPS 光谱如图 2 所示。图 2a-c 和 d-f 分别显示了退火前后 Ga 和 O 元素的全扫描 XPS 光谱。从全扫描观察到的 C 元素是外来碳。退火后，C 1 s 峰显着降低，表明在退火处理过程中去除了大部分碳。图2b和e中Ga3d的结合能分别对应于21.14 eV和20.70 eV，对应于样品的Ga-O键，退火后的结合能降低了0.44 eV。 O 1 s 峰拟合有与氧空位 (OV) 和晶格氧 (OL) 相关的两个组分。退火前后 OV 和 OL 的面积比（例如 SOV:SOL）分别为 0.47 和 0.12。这表明随着氧原子移动到其适当的晶格位点，由于退火处理导致晶格氧原子增加。

β-Ga2O3 薄膜的 XPS 光谱。退火前采集的测量扫描、Ga 3d 和 O1s 核心级峰值显示在 a–c 中 和退火后显示在d–f , 分别

制造了由β-Ga2O3薄膜组成的UV光电探测器。为光电探测器设计了一个简单的垂直结构，由 ITO/NiO/Ga2O3/Al 组成。器件结构示意图如图 3a 所示。在应用与蓝宝石基板相同的湿法清洁程序后，首先在 ITO 涂层的石英基板上溅射 NiO 层，NiO 薄膜的详细制备和表征显示在附加文件 1：图 S1 和图 S2 中。然后使用上述沉积参数溅射 Ga 2 O 3 层。将制备的异质结在空气中 600°C 下退火 30 分钟以避免对 ITO 的热损伤（已知 β-Ga2O3 可以在 550°C 以上的退火温度下形成），然后气相沉积 Al 电极（2 × 2 mm ² ) 在 Ga2O3 薄膜表面。最后，Al电极和ITO基板分别用作顶部和底部电极。

一 ITO/NiO/β-Ga2O3/Al组成的器件结构示意图。 b 光电探测器的能带图。 c–d 测量 J-V 并记录 J-V 分别在黑暗条件下用不同波长的光照射光电探测器的曲线。 e–f 测量 J-V 并记录 J-V 分别为光电探测器在 245 nm 紫外线照射下不同功率密度下的曲线。 g–h 响应度 (R ) 和探测能力 (D *) 分别为光电探测器在 245 nm 光照下不同偏压下的图像

图 3b 显示了光电探测器的能带图。我们计算了 E 根据方程式 g 的 NiO 膜。 (1) 如附加文件 1 所示：图 S3。 E 退火后，NiO 薄膜的 g 约为 3.4 eV。 β-Ga2O3 (5.1 eV) 和 NiO (3.4 eV) 层的宽带隙能量对紫外光有响应。在紫外线照射下 (hν )，电子获得足够的能量进入导带，产生电子-空穴对。这些光生电子-空穴对被内置电场分离并被各自的电极收集。在这里，具有适当能带排列的异质结构可以促进电荷的分离和收集。

从测量的J研究异质结光电探测器的性能 -V 并记录 J -V 从背光入射设备获取的图。图 3 c 和 d 说明了 J -V 并记录 J -V 分别用不同波长的光和黑暗条件下的光电探测器的曲线。当光电探测器被 27 μWcm ⁻² 的 245 nm 紫外光照射时 , 电流密度急剧增加，高达 1.38 mAcm ⁻² , 在施加 10 V 的电压下观察到。当用 285 和 365 nm 紫外灯照射时，电流密度也会增加。然而，与其他两种紫外光相比，245 nm紫外光可以有效激发更多的电子-空穴对，显示出该器件的深紫外检测能力。

J -V 并记录 J -V 在具有不同功率密度的 245 nm 紫外线照射下测量光电探测器的曲线，分别如图 3e 和 f 所示。测量在黑暗和紫外光条件下进行。在245 nm紫外光照射下电流密度随光强增加而增加，表明光电探测器具有响应245 nm紫外光产生光电流的能力。

偏置电压对响应度的影响 (R ) 的设备如图 3g 所示。 R 与光电流密度有关 (J ph) 根据方程。 (2) [5]:

其中 P opt 是光子功率密度，值为 1.5 mWcm ⁻² . R 的增加 从图 3g 可以明显看出，随着器件的偏置电压在固定光子功率密度下增加。最大 R 是 27.43 AW ⁻¹ 在 245 nm 光照 (27 μWcm ⁻² ) 偏置电压为 10 V。

探测能力 (D *) 是评估光电探测器性能的另一个重要参数。 D * 光电探测器的 * 可以使用方程计算。 (3)如下[20, 21]：

其中 q 是绝对电子电荷 (1.602 × 10 ⁻¹⁹ C) 和 J d 是暗电流密度。 D 之间的关系 * 偏置电压如图 3h 所示，显示 D 的增加 * 随着偏置电压的增加。最大 D * 是 3.14 × 10 ¹² cmHz ^1/2 W ⁻¹ 在 245 nm 光照 (27 μWcm ⁻² ) 在偏置电压为 − 10 V. 基于 R 的值 和 D *，与表 1 所示的其他基于 NiO 和基于 Ga2O3 的紫外检测器相比，NiO/β-Ga2O3 光电检测器在紫外检测方面表现出较高的性能。

结论

总之，β-Ga2O3薄膜是通过射频磁控溅射制备的，在800 °C退火后表现出良好的结晶度。宽带隙材料在 190-300 nm 范围内表现出强烈的紫外线吸收。基于 NiO/β-Ga2O3 异质结构的深紫外光电探测器对 245 nm 紫外光高度敏感，具有高响应度 (R ) 和探测能力 (D *) 高达 27.43 AW ⁻¹ 和 3.14 × 10 ¹² cmHz ^1/2 W ⁻¹ ， 分别。相信通过掺杂或优化器件结构可以进一步提高紫外光电探测器的性能。

数据和材料的可用性

本手稿的结论是基于本文提供和展示的数据（正文和图表）。

缩写

原子力显微镜：

原子力显微镜

ITO：

氧化铟锡

TEM：

透射电子显微镜

紫外线：

紫外线

XPS：

X射线光电子能谱

XRD：

X射线衍射