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A p-Type Wide Bandgap Ni x In 1– x O 1+δ Oxide Alloy with Enhanced Hole Mobility for High Rectifying p–n Heterojunction Diodes

材料科学 带隙 光电子学 异质结 X射线光电子能谱 非阻塞I/O 电子迁移率 直接和间接带隙 费米能级 半金属 二极管 整改 氧化物 合金 电导率 结晶度 近藤绝缘体 光电发射光谱学 电子能带结构 电子空穴 宽禁带半导体 电阻率和电导率 石墨烯 纳米技术 电子结构 透明导电膜
作者
Zhi Yue Xu,Chao Ping Liu,Xian Sheng Wang,Xin Nian Wu,Jian Hao Zheng,Zhi Hua Ye,Chun Yuen Ho,Yuan Shen Qi,K. M. Yu
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:18 (3): 5443-5454
标识
DOI:10.1021/acsami.5c19042
摘要

Developing high-performance p-type wide bandgap oxide is a critical challenge for advanced electronics. Here, we report the successful synthesis of NixIn1-xO1+δ alloy films via room-temperature magnetron cosputtering. Our alloying strategy directly addresses the long-standing low mobility issue in NiO by utilizing band structure engineering, specifically by alleviating the strong localization of its valence band maximum (VBM) through In orbital interaction. Through composition tuning, we achieved tunable conductivity from semi-insulating to robust p-type, and even degenerate p-type at high Ni content. The optimal alloy (x∼ 0.92) exhibited a significantly improved hole mobility of ∼0.84 cm2 V-1 s-1, substantially exceeding that of conventional p-type NiO (<0.1 cm2 V-1 s-1), while maintaining a high hole concentration (∼3 × 1018 cm-3) and a wide bandgap (∼3.6 eV). For Ni-rich compositions (x ≥ 0.95), we confirmed degenerate p-type conductivity through Hall-effect measurement and X-ray photoelectron spectroscopy valence band analysis, demonstrating the Fermi level located below the VBM. Structural and electronic analyses indicated that In alloying enhanced crystallinity and optimized the electronic structure by promoting VBM dispersion. Leveraging these superior properties, we fabricated p-Ni0.92In0.08O1+δ/n-ZnO heterojunction diodes with a remarkable rectification ratio of ∼4.1 × 105, approximately 22 times higher than control p-NiO1+δ/n-ZnO devices. Our findings establish NixIn1-xO1+δ as a highly promising p-type wide bandgap material, paving the way for advanced bipolar oxide-based devices and transparent electronics.
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