Fotodetector UV de Heterounión NiO/β-Ga₂O₃ Ultra-Sensible para Aplicaciones Avanzadas

Resumen

Los fotodetectores ultravioleta (UV) han atraído gran interés por sus amplias aplicaciones, desde tecnología de defensa hasta comunicaciones ópticas. El uso de semiconductores de óxido metálico de banda ancha es de gran interés para desarrollar fotodetectores UV debido a sus propiedades electrónicas y ópticas únicas. En este trabajo, se desarrolló e investigó un fotodetector UV profundo basado en heterounión NiO/β-Ga₂O₃. La capa de β-Ga₂O₃ se preparó por pulverización catódica (magnetron sputtering) y mostró orientación selectiva junto a la familia de planos cristalinos (2̄01) tras el recocido. El fotodetector demostró buen rendimiento con alta responsividad (R) de 27,43 AW⁻¹ bajo iluminación de 245 nm (27 μWcm⁻²) y detectividad máxima (D*) de 3,14 × 10¹² cmHz¹ᐟ²W⁻¹, atribuida a la heterounión p-NiO/n-β-Ga₂O₃.

Antecedentes

Existe gran interés en el desarrollo de fotodetectores UV por sus aplicaciones: alerta de misiles, análisis bioquímico, detección de llamas y ozono, y comunicaciones ópticas. Comparados con semiconductores de SiC y GaN, los fotodetectores UV basados en óxidos metálicos de banda ancha ofrecen ventajas: no se oxidan fácilmente, muestran respuesta sensible, son fáciles de operar y pueden miniaturizarse. Por ello, los óxidos metálicos de banda ancha y sus dispositivos han atraído mucha atención. Hasta la fecha, se han estudiado óxidos como ZnO, TiO₂, SnO₂, NiO y Ga₂O₃ para fotodetectores UV de alto rendimiento. Entre ellos, la fase estable de Ga₂O₃ (β-Ga₂O₃) se está volviendo un material preferido por ser semiconductor de banda directa ultra-ancha (~4,9 eV) que responde eficazmente a la banda UV, con proceso de crecimiento sencillo.

Varios grupos han intentado mejorar el rendimiento desarrollando dispositivos de heterounión con dos semiconductores de óxido metálico diferentes. Por ejemplo, Zhao et al. reportaron fotodetectores UV de heteroestructura núcleo-capa ZnO-Ga₂O₃ con ultra-alta responsividad y detectividad por efecto multiplicador de avalancha. En este trabajo, se investigó una heterounión diferente, NiO/β-Ga₂O₃, para un fotodetector UV de alto rendimiento. Primero, el desajuste de red entre β-Ga₂O₃ y NiO es relativamente pequeño. Además, la banda prohibida de NiO es mayor que la de ZnO usado en estudios previos. El comportamiento tipo p de NiO y tipo n de β-Ga₂O₃ ha generado varios informes sobre propiedades eléctricas de la heterounión NiO/β-Ga₂O₃ para electrónica de potencia, pero hay pocos reportes sobre su uso en fotodetectores. En este estudio, el fotodetector UV basado en NiO/β-Ga₂O₃ se produjo por pulverización catódica sobre sustrato transparente de óxido de indio y estaño (ITO). Los resultados mostraron excelente sensibilidad a luz UV (245 nm) con buena estabilidad.

Métodos

Blancos cerámicos de Ga₂O₃ y NiO (99,99 %) se adquirieron de Zhongnuo Advanced Material (Beijing) Technology Co. Ltd. Sustrato de zafiro con plano (0001) de Beijing Physike Technology Co. Ltd. Sustrato de cuarzo recubierto de ITO de Beijing Jinji Aomeng Technology Co. Ltd. Todos los reactivos químicos se usaron sin purificación adicional.

La película de β-Ga₂O₃ se preparó por pulverización catódica RF a temperatura ambiente. Para caracterización, se depositó sobre sustrato de zafiro (0001). Antes de la deposición, el sustrato se limpió en húmedo en solución mixta de agua de amoníaco, peróxido de hidrógeno y agua desionizada (1:1:3) a 80 °C durante 30 min. Se enjuagó repetidamente con agua desionizada y se secó con nitrógeno para eliminar contaminación superficial, mejorando uniformidad y adhesión. La pulverización se realizó a 0,7 Pa con flujos de oxígeno y argón de 5 y 95 sccm, respectivamente. Potencia de 200 W durante 60 min. Finalmente, la película depositada se recoció en aire a 800 °C (60 min) a 10 °C/min.

La estructura cristalina de la película de Ga₂O₃ se estudió mediante difracción de rayos X (XRD, EMPYREAN) y microscopio electrónico de transmisión (TEM, JEM-2100). Los espectros de absorción de la película en zafiro se midieron por espectroscopía UV-Vis (iHR-320), estimando también la banda óptica. La morfología superficial y espesor se caracterizaron con microscopio de fuerza atómica (AFM, SPA-400) y microscopio óptico (LEICA DM 2700 M). El análisis elemental se realizó por espectroscopía de fotoelectrones de rayos X (XPS, K-Alpha+). La medición corriente-voltaje (J-V) en el fotodetector NiO/β-Ga₂O₃ se realizó con un medidor de fuente Keithley 2400. Todas las mediciones fueron a temperatura ambiente.

Resultados y Discusión

La Fig. 1a muestra los patrones XRD de la película de Ga₂O₃ en zafiro (0001) antes y después del recocido. Antes del recocido, la película depositada mostró estado amorfo, observándose solo dos picos (marcados “*”) asociados al sustrato. Tras recocer a 800 °C, el patrón XRD mostró seis picos característicos correspondientes a planos cristalinos de la fase β de Ga₂O₃, sistema monoclínico. El patrón observado concuerda con trabajos previos [15, 16]. Estos picos revelan buena cristalinidad con orientación preferencial junto a la familia de planos (2̄01).

Las Fig. 1d, e son imágenes TEM y HRTEM tras recocido. El espaciamiento de franjas de red de los planos (2̄01), (400) y (2̄02) fueron 4,69 Å, 2,97 Å y 2,83 Å, respectivamente, confirmando buena cristalinidad y concordando con la literatura [17, 18].

La imagen AFM de la película en zafiro (Fig. 1f) muestra topografía granular uniforme con rugosidad RMS de 1,36 nm. Tras recocido, la rugosidad RMS aumentó a 1,68 nm. Este aumento también fue reportado por Hao et al [19]. Es posible que el recocido genere defectos estructurales superficiales. Se requieren más estudios para entender el cambio morfológico. Las imágenes AFM del borde escalón antes y después del recocido (Fig. 1g, h) mostraron espesores de 114 ± 6,4 nm y 123 ± 2,0 nm (~8 % de aumento). El aumento de espesor y rugosidad tras recocido podría deberse a la transición de fase amorfa a cristalina que conduce al crecimiento de nanocristales.

Los espectros de absorción UV-Vis antes y después del recocido (Fig. 1b) mostraron fuerte absorción UV en 190–300 nm y casi nula en visible. El recocido no afectó significativamente el borde de absorción, solo un pequeño corrimiento al rojo de ~10 nm con ligera mejora del pico. La ecuación (1) estima la energía de banda óptica (Eg):

$$ \alpha(h\nu) = A(h\nu - E_g)^{1/2} $$ (1)

Donde α es coeficiente de absorción, hν energía de fotón, A constante. Considerando los espesores medidos por AFM, los valores de Eg de las películas depositada y recocida (Fig. 1c) fueron 5,137 eV y 5,135 eV, cercanos al teórico de 4,9 eV para β-Ga₂O₃.

Los espectros XPS de la película β-Ga₂O₃ (Fig. 2). Fig. 2a–c y d–f muestran espectros de barrido completo, Ga y O antes y después del recocido. El carbono observado era carbón adventicio. Tras recocido, el pico C 1s se redujo significativamente, indicando eliminación de carbono. La energía de enlace de Ga3d en Fig. 2b, e corresponde a 21,14 eV y 20,70 eV, respectivamente, al enlace Ga-O, reduciéndose 0,44 eV tras recocido. Los picos O 1s se ajustaron con dos componentes: vacancias de oxígeno (O_V) y oxígeno de red (O_L). Las razones de área O_V:O_L antes y después del recocido fueron 0,47 y 0,12, sugiriendo aumento de átomos de oxígeno de red por cristalización.

Se fabricó un fotodetector UV con la película β-Ga₂O₃. Se diseñó una estructura vertical simple: ITO/NiO/Ga₂O₃/Al. El diagrama esquemático (Fig. 3a). Primero se pulverizó capa de NiO sobre sustrato ITO-cuarzo tras misma limpieza; la preparación y caracterización de NiO se muestra en Archivo Adicional 1: Figura S1 y S2. Luego se pulverizó Ga₂O₃ con los parámetros mencionados. La heterounión se recoció en aire a 600 °C por 30 min para evitar daño al ITO (β-Ga₂O₃ se forma sobre 550 °C), seguido de deposición de electrodos Al (2 × 2 mm²) sobre la película Ga₂O₃. Finalmente, electrodos Al y sustrato ITO sirvieron como electrodos superior e inferior.

La Fig. 3b muestra el diagrama de bandas. Se calculó Eg de NiO según Ec. (1) (Archivo Adicional 1: Figura S3): ~3,4 eV tras recocido. Las amplias bandas de β-Ga₂O₃ (5,1 eV) y NiO (3,4 eV) responden a luz UV. Bajo iluminación UV (hν), los electrones ganan energía para transitar a banda de conducción generando pares electrón-hueco. Estos pares se separan por el campo eléctrico incorporado y son colectados por los electrodos. La heteroestructura con alineación de bandas adecuada facilita la separación y colección de cargas.

El rendimiento se estudió mediante curvas J-V y log J-V medidas con iluminación posterior. Fig. 3c, d ilustran curvas bajo diferentes longitudes de onda y oscuridad. Bajo UV 245 nm a 27 μWcm⁻², se observó aumento drástico de densidad de corriente hasta 1,38 mAcm⁻² a 10 V. La densidad también aumenta con UV 285 y 365 nm, pero más pares se excitan eficazmente con 245 nm, mostrando detección UV profunda.

Las curvas J-V y log J-V bajo UV 245 nm con densidad de potencia variable (Fig. 3e, f). Medidas en oscuridad y UV. La densidad de corriente aumenta con intensidad lumínica bajo UV 245 nm, sugiriendo capacidad de generar fotocorriente.

El efecto del voltaje de polarización en la responsividad (R) se muestra en Fig. 3g. R se relaciona con densidad de fotocorriente (J_ph) según Ec. (2) [5]:

$$ R = J_{ph} / P_{opt} $$ (2)

Donde P_opt = 1,5 mWcm⁻². Se observa aumento de R al incrementar voltaje de polarización bajo densidad de fotones fija. El máximo R = 27,43 AW⁻¹ bajo UV 245 nm (27 μWcm⁻²) a 10 V.

La detectividad (D*) es otro parámetro clave. Se calcula según Ec. (3) [20, 21]:

$$ D^* = R / (2q|J_d|)^{1/2} $$ (3)

Donde q = 1,602 × 10⁻¹⁹ C y J_d densidad de corriente oscura. La relación D* vs voltaje (Fig. 3h) muestra aumento con el voltaje. El máximo D* = 3,14 × 10¹² cmHz¹ᐟ²W⁻¹ bajo UV 245 nm (27 μWcm⁻²) a −10 V. Basado en R y D*, el fotodetector NiO/β-Ga₂O₃ demostró alto rendimiento en detección UV, comparado con otros detectores basados en NiO y Ga₂O₃ (Tabla 1).

Conclusiones

En conclusión, la película β-Ga₂O₃ se preparó por pulverización catódica RF y mostró buena cristalinidad tras recocido a 800 °C. El material de banda ancha reveló fuerte absorción UV en 190–300 nm. El fotodetector UV profundo basado en heterounión NiO/β-Ga₂O₃ fue altamente sensible a 245 nm con responsividad (R) y detectividad (D*) de hasta 27,43 AW⁻¹ y 3,14 × 10¹² cmHz¹ᐟ²W⁻¹, respectivamente. Se cree que el rendimiento puede mejorarse mediante dopaje o optimización de la estructura del dispositivo.

Disponibilidad de Datos y Materiales

Las conclusiones de este manuscrito se basan en los datos (texto principal y figuras) presentados en este artículo.

Abreviaturas

AFM:

Microscopio de fuerza atómica

ITO:

Óxido de indio y estaño

TEM:

Microscopio electrónico de transmisión

UV:

Ultravioleta

XPS:

Espectroscopía de fotoelectrones de rayos X

XRD:

Difracción de rayos X