Het onderzoek naar hybride PEDOT:PSS/β-Ga2O3 Deep Ultraviolet Schottky Barrier-fotodetectoren

Resultaat en discussie

IV-kenmerken en barrièrehoogte

Zoals weergegeven in Fig. 2a, zijn de I–V-kenmerken van de hybride PEDOT:PSS/β-Ga₂ O₃ Schottky-barrièrediodes werden onderzocht wanneer de temperatuur verandert van 298 K naar 423 K. De stroom neemt monotoon toe met de temperatuur en de semi-log I-V-curven tonen het lineaire gedrag als de voorwaartse spanningsvoorspanning minder dan 1,5 V. Als de voorwaartse voorspanning de spanning neemt verder toe, de helling van de semi-log I–V-curven neemt geleidelijk af en de voorwaartse stroom nadert 6 ~ 8 × 10 ⁻⁴ A, wat aangeeft dat de serieweerstand ervoor zorgt dat de I-V-curve afwijkt van de lineariteit. Bovendien is de omgekeerde lekstroom minder dan 10 ⁻⁹ A bij – 3 V, en de I _aan /Ik _uit verhouding is maximaal 10 ⁶ bij kamertemperatuur, wat een rectificerend gedrag illustreert dat zo goed is als anorganisch β-Ga₂ O₃ Schottky-diodes [11,12,13,14,15].

Temperatuurafhankelijke IV-kenmerken van PEDOT:PSS/β-Ga₂ O₃ SBD's van 298 tot 423 K (a ) en Schottky-barrièrehoogte ϕ _b en idealiteitsfactor n van hybride β-Ga₂ O₃ SBD (b )

Volgens de vergelijking \( I={I}_s\left\{\exp \left[\frac{q\left(V-{IR}_s\right)}{nkT}\right]-1\right\} \) waar V is de voorspanning, T en k zijn respectievelijk de absolute temperatuur en de Boltzmann-constante. De idealiteitsfactor n en de omgekeerde verzadigingsstroom I _s kan worden geëxtraheerd uit de y -asonderscheppingen en de hellingen van de lineaire extrapolatie van de semi-log I-V-curven bij verschillende temperaturen. Hoewel de idealiteitsfactor n van de ideale Schottky-diode is gelijk aan 1, het is altijd groter dan 1 tot op zekere hoogte in het werkelijke apparaat. De afwijking van het thermische emissie (TE) model wordt veel groter als n neemt toe. Volgens de uitdrukking \( {\phi}_b=\frac{kT}{q}\ln \left[\frac{AA^{\ast }{T}^2}{I_s}\right] \), kunnen we kan de Schottky-barrièrehoogte verkrijgen ϕ _b bij verschillende temperaturen, zoals weergegeven in Fig. 2b. De temperatuurstijging veroorzaakt ϕ _b te verhogen van 0,71 eV naar 0,84, 0,87, 0,90, 0,93 en 0,96 eV terwijl n te verlagen van 4,27 naar 3,42, 3,35, 3,29, 3,06 en 2,86. Voor n veel groter dan 1, wat andere geleidende mechanismen suggereert, zoals veldeffect of thermisch veldeffect, die bijdragen aan het huidige transport en resulterend in het verschil tussen het pure TE-model en de I-V-kenmerken, wat is geïllustreerd in de SBD's met brede bandgap, inclusief GaN en SiC [31,32,33,34].

Voor ϕ _b en n temperatuurafhankelijk zijn, moet bij PEDOT:PSS en β-Ga₂ rekening worden gehouden met de inhomogeniteit van de barrièrehoogte O₃ koppel. Gezien de Gauss-verdeling van de barrièrehoogte, kan de inhomogene barrièrehoogte worden beschreven als \( {\phi}_b=\overline{\phi_{b0}}\left(T=0\right)-\frac{q{\ sigma}_s^2}{2 kT} \) en de variatie van n met T wordt gegeven door \( \left(\frac{1}{n}-1\right)={\rho}_2-\frac{q{\rho}_3}{2 kT} \), waarbij \( \overline {\phi_{b0}} \) en σ _s zijn respectievelijk de gemiddelde barrièrehoogte en de standaarddeviatie, ρ ₂ en ρ ₃ zijn de temperatuurafhankelijke spanningscoëfficiënten, en de spanningsvervorming van de Schottky-barrièrehoogte (SBH) -verdeling werd door hen gekwantificeerd (figuur 3a). \( \overline{\phi_{b0}} \) en σ _s kan worden berekend uit het snijpunt en de helling van de ϕ _b versus q /2kT curve, respectievelijk ongeveer 1,57 eV en 0,212 eV. Tegelijkertijd, ρ ₂ en ρ ₃ worden geëvalueerd als 0,4 eV en 0,02 eV vanaf het snijpunt en de helling van de (1/n − 1) versus q /2kT verhaallijn. Vergeleken met \( \overline{\phi_{b0}} \), σ _s is niet klein, wat het bestaan ​​van barrière-inhomogeniteit illustreert bij PEDOT:PSS/β-Ga₂ O₃ interface [35].

De variatie van de SBH ϕ _b en (n ⁻¹ − 1) met q /2KT krommen, \( \overline{\phi_{b0}} \) en σ _s kan worden verkregen (een ), gewijzigd \( \ln \left({I}_{\mathrm{s}}/{T}^2\right)-\left({q}^2{\sigma}_{\mathrm{s} }^2/2{k}^2{T}^2\right) \) versus 1000/T plot (b )

Door rekening te houden met de inhomogeniteit van de barrièrehoogte, wordt de relatie tussen de omgekeerde verzadigingsstroom I _s en de gemiddelde hoogte van de barrière \( \overline{\phi_{b0}} \) kan worden gewijzigd als \( \mathrm{In}\left(\frac{I_s}{T^2}\right)-\left(\ frac{q^2{\sigma_s}^2}{2{k}^2{T}^2}\right)=\mathrm{In}\left({AA}^{\ast}\right)-\ frac{q\overline{\phi_{b0}}}{kT} \). Uit figuur 3b kan worden afgeleid dat de plot van de \( \ln \left({I}_{\mathrm{s}}/{T}^2\right)-\left({q}^2{ \sigma}_{\mathrm{s}}^2/2{k}^2{T}^2\right) \) versus 1/kT is een rechte lijn, waaruit we de effectieve Richardson-constante A . kunnen extraheren ^* van 3,8 A cm ⁻² K ⁻² , een ordegrootte kleiner dan de theoretische Richardson-constante van 40,8 A cm ⁻² K ⁻² met de β-Ga₂ O₃ effectieve massa van m * =0,34 m₀ [36, 37]. Dus de temperatuurafhankelijke ϕ _b en n , met andere woorden, de Gauss-verdeling van de barrières over SBH's kan worden gebruikt om de barrière-inhomogeniteit bij de PEDOT:PSS/β-Ga₂ te verklaren O₃ interface.

Kenmerken van UV-fotodetector

Zoals hierboven beschreven, is de hybride β-Ga₂ O₃ Schottky-diode vertoont goede gelijkrichtende eigenschappen; de verhouding van I _aan /Ik _uit tot 10 ⁶ in donkere staat bij kamertemperatuur. De onderste donkerstroom I _donker van 9,4 nA@V _bias =− 4 V kan worden bepaald uit Fig. 4a, wat een lagere ruiskarakteristiek aangeeft. Terwijl onder de normale inval van een golflengte van 254 nm met een fotodichtheid van 150 μW/cm ² , de fotostroom I _foto bereikt 112 nA@V _bias =− 4 V. Bovendien vertoont de fotodetector een zwak fotovoltaïsch effect met een fotostroom van 0,45 nA bij 0 V en een nullastspanning (V _oc ) van 0,15 V, veel minder dan 0,9 V in referentie [38], wat kan worden toegeschreven aan het verschil in dragerdichtheid en de resulterende variatie in Fermi-niveau. Figuur 4b vertegenwoordigt de lineaire I _foto versus V _bias bij verschillende P _licht . Het apparaat toont de afhankelijkheid van I _foto op de P _licht , en de ik _foto neemt niet-lineair toe met de P _licht , met andere woorden, op verschillende V _bias, de plots van I _foto versus P _licht demonstreren een duidelijk superlineair gedrag, zoals getoond in figuur 4c. Om het mechanisme van het superlineaire gedrag te verduidelijken, presenteert figuur 4e het energiediagram van de PEDOT:PSS en β-Ga₂ O₃ voor kontakt. De elektronenaffiniteit en de bandgap van β-Ga₂ O₃ zijn respectievelijk 4,0 eV en 4,9 eV. De laagste onbezette moleculaire orbitaal (LUMO) is 3,3 eV en de hoogste bezette moleculaire orbitaal van PEDOT:PSS is 5,2 eV [39]. Toen ze met elkaar in contact kwamen, vormde zich een Schottky-barrière. Wanneer het apparaat wordt verlicht en de omgekeerde voorspanning wordt toegepast op de elektroden van de Schottky-diodes, worden de door foto gegenereerde elektron-gatparen snel gescheiden door het elektrische veld en drijven de gaten naar de anode terwijl de elektronen naar de kathode, zoals weergegeven in Afb. 4f. Voor de aanwezigheid van vallen bij de PEDOT:PSS/β-Ga₂ O₃ interface, worden de gaten opgesloten in de interfacetoestanden en produceren netto positieve ladingen, waardoor de effectieve Schottky-barrièrehoogte wordt verminderd, meer dragers over de Schottky-junctie stromen en de I verbetert _foto . Afbeelding 4d toont de foto-naar-donkerstroomverhouding (PDCR)-curves onder verschillende P _licht . Naarmate de spanningsbias verschuift van

Relatie tussen Fotostroom I _foto @150 μW/cm ² , donkere stroom I _donker , en voorspanning V _bias (een ), percelen van I _foto versus V _bias onder verschillende P _licht (b ), lineair I _foto als een functie van P _licht (c ), krommen van foto-naar-donkerstroomverhouding (PDCR) onder verschillende P _licht (d ), banddiagram van PEDOT:PSS en β-Ga₂ O₃ voor contact (e ), banddiagram van PEDOT:PSS en β-Ga₂ O₃ onder de omgekeerde voorspanning na contact, worden de toestand zonder aangelegde spanning en de toestand met de omgekeerde voorspanning weergegeven door respectievelijk de ononderbroken lijn en de stippellijn (f )

0V tot − 1,2V, de PDCR neemt geleidelijk toe en neemt vervolgens af naarmate de spanningsbias negatiever wordt, hoe hoger de PDCR boven 20 wordt bereikt bij een V _bias van − 1,2 V en een P _licht van 150 μW/cm ² .

De tijdsafhankelijke fotoresponskenmerken van hybride fotodetectoren worden bestudeerd met behulp van blokgolflicht met een periode van 10 s onder de V _bias van − 1,2 V en een P _licht van 150 μW/cm ² . Na verschillende verlichtingscycli bereiken apparaten de stabiele on-state I _foto op de gegeven P _licht en V _bias , zoals weergegeven in figuur 5a. De stijgtijd en de vervaltijd zijn respectievelijk 319 ms en 270 ms [40, 41], veel minder dan die van apparaten die zijn vervaardigd op epitaxiale β-Ga₂ O₃ films of β-Ga₂ O₃ vlokken [35, 42, 43] maar langer dan de gegevens in [31]. Voor het bestaan ​​van dubbele heterojunctie in [31], PEDOTT:PSS/Ga₂ O₃ bovenste kruising en Ga₂ O₃ /p-Si lagere junctie, kunnen de fotogegenereerde dragers effectiever worden gescheiden door de dubbele ingebouwde elektrische velden dan de enige PEDOTT:PSS/Ga₂ O₃ kruispunt in dit blad. Daarom kunnen er minder dragers worden opgevangen door de defecten in [31], wat resulteert in een kortere stijg- en vervaltijd. Bovendien kan de doorschietfunctie worden waargenomen aan de hand van de vormen van fotoresponscurves met een wigvormige kop aan de lagere P _licht van 150 μW/cm ² dan dat gebeurde bij de P _licht van 600 μW/cm ² in [30] voor de effectieve verzameling van fotogegenereerde dragers onder de omgekeerde voorspanning van − 1,2 V in plaats van 0 V.

Meerdere cycli (a ) en enkele cyclus (b ) van tijdsafhankelijk I _foto van de hybride PEDOT:PSS/β-Ga₂ O₃ Schottky barrière fotodetector bij de V _bias =− 1,2 V, de stijgtijd en de vervaltijd worden bepaald op respectievelijk 319 ms en 270 ms

Afbeelding 6 toont de responsiviteitskenmerken versus de optische verlichting λ onder de V _bias van − 1,2 V. De maximale responsiviteit R _max van 0,62 A/W wordt bereikt bij een λ van 244 nm en de bijbehorende externe kwantumefficiëntie (EQE) van 3,16 × 10 ² % berekend door de uitdrukking EQE =hcR _max /(eλ ), veel hoger dan die verkregen in [30, 38] voor de effectieve verzameling van fotogegenereerde dragers, waarbij R _max is de piekresponsiviteit, en h is de Plank-constante. e en λ zijn respectievelijk de elektronische lading en de verlichtingsgolflengte. Aangezien de golflengte langer is dan 290 nm, is de fotoresponsiviteit lager dan 1 × 10 ⁻³ , ter illustratie van een veel betere spectrale selectiviteit in de hybride β-Ga₂ O₃ apparaten. Tegelijkertijd is de afwijzingsratio van R _{254 nm} /R _{400 nm} wordt vastgesteld op 1,26 × 10 ³ . Vergeleken met de gerapporteerde anorganische Ga₂ O₃ fotodetector [43,44,45,46,47,48,49], het hybride apparaat bezit een hogere fotoresponsiviteit, snellere reactiesnelheid en grotere UV/zichtbare afwijzingsverhouding, wat een veelbelovende zonneblinde fotodetectoren met hoge prestaties impliceert.

Responsiviteit versus golflengten voor de PEDOT:PSS/Ga₂ O₃ hybride fotodetectoren bij V _bias =-1,2 V