Fotodetector ultravioleta profundo de alto rendimiento basado en heterounión NiO / β-Ga2O3

Resultados y discusión

La Figura 1a muestra los patrones XRD del Ga ₂ O ₃ película cultivada en el plano (0001) del sustrato de zafiro antes y después del recocido. Antes del recocido, la película depositada exhibía un estado amorfo ya que solo se observaron dos picos (marcados como "*") asociados con el sustrato en el patrón. Después de templar la película a 800 ° C, el patrón XRD mostró seis picos característicos correspondientes a los planos cristalinos de la fase β de Ga ₂ O ₃ , que pertenece al sistema de cristales monoclínicos. El patrón observado es consistente con el trabajo informado previamente [15, 16]. Estos picos característicos del β-Ga ₂ recocido O ₃ La película reveló una buena cristalinidad con orientación preferencial a lo largo de la familia de planos cristalinos (\ (\ overline {2} \) 01).

un Patrones XRD del β-Ga ₂ O ₃ película depositada en el plano del sustrato de zafiro (0001), y los picos del sustrato de zafiro están marcados con asteriscos (*). b Espectros de absorción UV-Vis del β-Ga ₂ O ₃ película. c Gráficas de [α ( hν )] ² versus energía fotónica. d – e Imágenes TEM y HRTEM del β-Ga ₂ O ₃ película después del recocido. f Imágenes AFM del β-Ga ₂ O ₃ película. g – h Imágenes ópticas y AFM en el borde del paso entre la película y el sustrato

Las figuras 1d y e son imágenes TEM y HRTEM del β-Ga ₂ O ₃ película después del recocido. Como se muestra, el espaciado de la franja de celosía de los planos cristalinos (\ (\ overline {2} \) 01), (400) y (\ (\ overline {2} \) 02) eran 4,69 Å, 2,97 Å y 2,83 Å , respectivamente, lo que nuevamente sugiere una buena cristalinidad y está de acuerdo con el trabajo previamente reportado en la literatura [17, 18].

Imagen AFM del β-Ga ₂ O ₃ La película depositada sobre el sustrato de zafiro se muestra en la Fig. 1f. La película depositada exhibió una topografía de superficie granular uniforme con una rugosidad de superficie de raíz cuadrada media (RMS) relativamente pequeña de 1,36 nm. Después del recocido, la rugosidad RMS de la película aumentó a 1,68 nm. Este aumento en la rugosidad RMS después del recocido también fue informado por Hao et al [19]. Es posible que el tratamiento de recocido provoque defectos estructurales en la superficie. Se requieren más estudios para comprender la causa del cambio en la morfología de la superficie después del recocido. Las imágenes de topografía AFM del borde escalonado entre la película y el sustrato antes y después del recocido se muestran en la Fig.1 gyh, cuyos perfiles de línea (en el recuadro) indicaron un espesor de película de 114 ± 6,4 nm y 123 ± 2,0 nm ( alrededor del 8% de aumento), respectivamente. El aumento en el espesor de la película y el RMS después del recocido podría deberse a que la transición de fase de amorfo a cristalinidad conduce al crecimiento de granos de nanocristales.

Espectros de absorción UV-Vis del β-Ga ₂ O ₃ Las películas antes y después del recocido se muestran en la Fig. 1b. Ambas películas exhibieron una fuerte absorción de UV en el rango de 190 a 300 nm y casi ninguna absorción en la banda de luz visible. Esto mostró que el tratamiento de recocido no tuvo un efecto significativo sobre el borde de absorción. Solo resultó en un pequeño desplazamiento hacia el rojo de aproximadamente 10 nm con una ligera mejora en el pico de absorción. Eq. (1) se puede utilizar para estimar la energía de banda prohibida óptica ( E g) de la película.

donde α es el coeficiente de absorción, hν es energía fotónica y A es una constante. Teniendo en cuenta los espesores de película medidos por AFM, el E Se pueden determinar g de las películas depositadas y recocidas a partir de los gráficos de la figura 1c, que indicaron un valor de 5,137 eV y 5,135 eV, respectivamente. Estos valores están cerca de la E teórica g de 4,9 eV para β-Ga ₂ O ₃ .

Espectros XPS del β-Ga ₂ O ₃ La película se muestra en la Fig. 2. Las Figuras 2a – c y d – f muestran los espectros XPS del barrido completo, los elementos Ga y O antes y después del recocido, respectivamente. El elemento C observado en el escaneo completo fue carbono adventicio. Después del recocido, el pico de C 1 s se redujo significativamente, lo que indica que la mayor parte del carbono se eliminó durante el tratamiento de recocido. La energía de enlace de Ga3d en la figura 2 bye corresponden a 21,14 eV y 20,70 eV, respectivamente, que corresponden al enlace Ga-O de las muestras, y la energía de enlace después del recocido se reduce en 0,44 eV. Los picos de O 1 s se ajustaron con dos componentes asociados con las vacantes de oxígeno (O _V ) y oxígeno reticular (O _L ). Las relaciones de área de O _V y O _L (p. ej., S _OV :S _OL) antes y después del recocido fueron 0,47 y 0,12, respectivamente. Esto sugiere un aumento en los átomos de oxígeno de la red debido al tratamiento de recocido que conduce a la cristalización a medida que los átomos de oxígeno se mueven a sus sitios de red apropiados.

Espectros XPS del β-Ga ₂ O ₃ película. En a – c se muestran los picos de nivel de núcleo de exploración de levantamiento, Ga 3d y O1s adquiridos antes del recocido y después del recocido se muestran en d – f , respectivamente

Un fotodetector UV que consta de β-Ga ₂ O ₃ se fabricó la película. Se diseñó una estructura vertical simple para el fotodetector, que constaba de ITO / NiO / Ga ₂ O ₃ /Alabama. En la figura 3a se muestra un diagrama esquemático de la estructura del dispositivo. Primero se pulverizó una capa de NiO sobre un sustrato de cuarzo recubierto de ITO después de aplicar los mismos procedimientos de limpieza en húmedo que el sustrato de zafiro, y la preparación detallada y las caracterizaciones de la película de NiO se muestran en el archivo adicional 1:Figura S1 y Figura S2. Ga ₂ O ₃ A continuación, la capa se pulverizó utilizando los parámetros de deposición mencionados anteriormente. La heterounión preparada se recoció en aire a 600 ° C durante 30 min para evitar daños por calentamiento en ITO (con el conocimiento de que β-Ga ₂ O ₃ puede formarse a una temperatura de recocido superior a 550 ° C), seguida de la deposición de vapor de electrodos de Al (2 × 2 mm ² ) en la superficie de Ga ₂ O ₃ película. Finalmente, los electrodos de Al y el sustrato de ITO se utilizaron como electrodos superior e inferior, respectivamente.

un Diagrama esquemático que muestra la estructura del dispositivo que consta de ITO / NiO / β-Ga ₂ O ₃ /Alabama. b Diagrama de bandas de energía del fotodetector. c – d Medido J-V y log J-V curvas, respectivamente, del fotodetector iluminado con una luz de diferentes longitudes de onda, y en condiciones de oscuridad. e – f Medido J-V y log J-V curvas, respectivamente, del fotodetector bajo una iluminación UV de 245 nm con diferente densidad de potencia. g – h Responsividad ( R ) y detectividad ( D *), respectivamente, del fotodetector a diferentes voltajes de polarización bajo iluminación de luz de 245 nm

La figura 3b muestra el diagrama de bandas de energía del fotodetector. Calculamos el E g de película de NiO según Eq. (1) como se muestra en el archivo adicional 1:Figura S3. El E g de película de NiO es de aproximadamente 3,4 eV después del recocido. La amplia banda prohibida de energía del β-Ga ₂ O ₃ Las capas de (5,1 eV) y NiO (3,4 eV) responden a la luz ultravioleta. Bajo iluminación ultravioleta ( hν ), los electrones obtienen suficiente energía para transitar hacia la banda de conducción generando pares de electrones y huecos. Estos pares de agujeros de electrones fotogenerados fueron separados por el campo eléctrico incorporado y recogidos por los electrodos respectivos. Aquí, la heteroestructura con la alineación de banda adecuada puede facilitar la separación y recolección de carga.

El rendimiento del fotodetector de heterounión se estudió a partir de la J medida - V y log J - V parcelas, que se adquirieron del dispositivo de incidente de retroiluminación. Las figuras 3 cyd ilustran la J - V y log J - V curvas del fotodetector iluminadas con luces de diferentes longitudes de onda y en condiciones de oscuridad, respectivamente. Cuando el fotodetector se iluminó con una luz ultravioleta de 245 nm a 27 μWcm ⁻² , un aumento drástico de la densidad de corriente, hasta 1,38 mAcm ⁻² , se observó a un voltaje aplicado de 10 V. La densidad de corriente también aumenta cuando se ilumina con luces UV de 285 y 365 nm. Sin embargo, la luz ultravioleta de 245 nm puede excitar más pares de agujeros de electrones en comparación con otras dos luces ultravioleta, lo que muestra la detección ultravioleta profunda del dispositivo.

J - V y log J - V Las curvas del fotodetector se midieron bajo una iluminación UV de 245 nm con densidad de potencia variable, como se muestra en la Fig. 3 eyf, respectivamente. Las mediciones se realizaron en condiciones de oscuridad y luz ultravioleta. La densidad de corriente aumenta con la intensidad de la luz bajo una iluminación ultravioleta de 245 nm, lo que sugiere que el fotodetector tiene la capacidad de generar fotocorriente en respuesta a la luz ultravioleta de 245 nm.

El efecto del voltaje de polarización en la capacidad de respuesta ( R ) del dispositivo se muestra en la Fig. 3g. R está relacionado con la densidad de fotocorriente ( J _ph ) según Eq. (2) [5]:

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

donde P _optar es la densidad de potencia de los fotones con un valor de 1,5 mWcm ⁻² . Un aumento en R fue evidente en la Fig. 3g a medida que aumenta la tensión de polarización del dispositivo bajo una densidad de potencia de fotones fija. La R máxima era 27,43 AW ⁻¹ medido con una iluminación de 245 nm (27 μWcm ⁻² ) a la tensión de polarización de 10 V.

Detectividad ( D *) es otro parámetro importante para evaluar el rendimiento de los fotodetectores. D * del fotodetector se puede calcular usando la Ec. (3) de la siguiente manera [20, 21]:

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

donde q es la carga absoluta de electrones (1,602 × 10 ⁻¹⁹ C) y J _d es la densidad de corriente oscura. La relación entre D * y el voltaje de polarización se muestra en la Fig. 3h, que muestra un aumento en D * a medida que aumenta la tensión de polarización. El máximo D * era 3,14 × 10 ¹² cmHz ^1/2 W ⁻¹ medido con una iluminación de 245 nm (27 μWcm ⁻² ) a la tensión de polarización de - 10 V. Basado en los valores de R y D *, el NiO / β-Ga ₂ O ₃ El fotodetector demostró un alto rendimiento en la detección de rayos UV, en comparación con otros basados ​​en NiO y Ga ₂ O ₃ detectores UV basados ​​en la tabla 1.

Conclusiones

En conclusión, β-Ga ₂ O ₃ La película se preparó mediante pulverización catódica con magnetrón de RF y mostró una buena cristalinidad después del recocido a 800 ° C. El material con banda prohibida amplia reveló una fuerte absorción de rayos UV en el rango de 190 a 300 nm. El fotodetector ultravioleta profundo basado en NiO / β-Ga ₂ O ₃ La heteroestructura era altamente sensible a la luz ultravioleta de 245 nm con alta capacidad de respuesta ( R ) y detectividad ( D *) de hasta 27,43 AW ⁻¹ y 3,14 × 10 ¹² cmHz ^1/2 W ⁻¹ , respectivamente. Se cree que el rendimiento del fotodetector UV se puede mejorar aún más mediante el dopaje o la optimización de la estructura del dispositivo.

Disponibilidad de datos y materiales

Las conclusiones a las que se llega en este manuscrito se basan en los datos (texto principal y figuras) presentados y mostrados en este documento.

Abreviaturas

AFM:

Microscopio de fuerza atómica

ITO:

Óxido de indio y estaño

TEM:

Microscopio electrónico de transmisión

UV:

Ultravioleta

XPS:

Espectroscopia de fotoelectrones de rayos X

XRD:

Difracción de rayos X

Preparación de sulfuro de nano-cobre y sus propiedades de adsorción para 17α-etinilestradiol Pseudomagnetoresistencia de valle controlado eléctricamente en grafeno con distorsión de celosía Kekulé en forma de Y