Hybride PEDOT:PSS/β-Ga₂O₃ diep-ultraviolet Schottky fotodetectors: temperatuurafhankelijke prestatieanalyse

Samenvatting

In dit artikel werden de hybride β-Ga₂O₃ Schottky diodes gefabriceerd met PEDOT:PSS als anode. De elektrische kenmerken werden onderzocht wanneer de temperatuur verandert van 298 K tot 423 K. De barrièrehoogte φ_b neemt toe, en de idealiteitsfactor n neemt af naarmate de temperatuur toeneemt, wat de aanwezigheid van barrièrehoogte inhomogeniteit tussen de polymere en β-Ga₂O₃ interface aangeeft. De gemiddelde barrièrehoogte en de standaarddeviatie zijn 1,57 eV en 0,212 eV, respectievelijk, na rekening te houden met het Gaussiaanse barrièrehoogte verdelingsmodel. Bovendien worden een relatief snelle responstijd van minder dan 320 ms, hoge responsiviteit van 0,6 A/W, en afwijzingsverhouding van R₂₅₄ nm/R₄₀₀ nm tot 1,26 × 10³ verkregen, wat suggereert dat de hybride PEDOT:PSS/β-Ga₂O₃ Schottky barrière diodes gebruikt kunnen worden als diep-ultraviolet (DUV) optische schakelaars of fotodetectors.

Inleiding

Veel onderzoeksgroepen hebben veel aandacht besteed aan een nieuw ultrawijd bandgat halfgeleider van β-Ga₂O₃ als potentieel materiaal voor diep-ultraviolet (DUV) fotodetectors, hoge spanning, en hoge vermogen apparaten voor zijn wijd bandgat (4,8–4,9 eV), hoge doorbraak elektrisch veld (8 MV/cm), en chemische stabiliteit. Bovendien is het eenvoudig om β-Ga₂O₃ te cleaven in nano-membranen of dunne banden voor zijn unieke eigenschap van de grote roosterconstante langs [100] richting. Verschillende metalen, zoals Cu, Pd, Pt, Au, Ni, en TiN, werden gebruikt om de elektrische kenmerken van β-Ga₂O₃ Schottky barrière diodes (SBD) te onderzoeken. Echter, de Schottky diodes gefabriceerd met sommige polymeren en de elektrische kenmerken zijn nog niet gerapporteerd. Onder alle organische materialen, is PEDOT:PSS een van de transparante gat-geleidende polymeren, wiens geleiding tot 500 S/cm is en werkafstand tot 5,0 ~ 5,3 eV, dichtbij Au en Ni. Verder kan de PEDOT:PSS film alleen gevormd worden door spin-coaten op het substraat en daaropvolgende bakken in lucht. Er zijn enkele onderzoeken met betrekking tot de transparante Schottky contact van PEDOT:PSS op ZnO einkristal substraat en GaN epitaxiale laag, met goed gelijkrichtende eigenschappen en fotoelektrische of fotovoltaïsche kenmerken.

In dit werk werd de hybride Schottky diode gefabriceerd met PEDOT:PSS polymeer en de mechanisch geëxfolieerde β-Ga₂O₃ vlokken van de hoge kwaliteit β-Ga₂O₃ substraat. De elektrische kenmerken van de diodes werden onderzocht in het temperatuurgebied tussen 298 K en 423 K. Verder werden de I-V metingen onder UV verlichting uitgevoerd, de responsiviteit gemeten, en het transiënte gedrag van de fotostroom geanalyseerd.

Experimentele Methodes

De β-Ga₂O₃ vlokken met diktes van 15–25 μm werden mechanisch geëxfolieerd van de (100) β-Ga₂O₃ substraat met de elektronenconcentratie van 7 × 10¹⁶ cm⁻³. Omdat de elektronen dichtheid 2–3 orde van grootte hoger is dan die in de onbedoeld gedopeerde Ga₂O₃ epitaxiale laag gedeponeerd op safier substraat in [30] en de hoog geleidende PEDOT:PSS films werd gebruikt in dit artikel, werd de pn heterojunctie gevormd in [30] terwijl Schottky junctie gevormd werd in dit artikel. Figuur 1a toont het schematisch diagram van de hybride PEDOT:PSS/β-Ga₂O₃ Schottky diode. De β-Ga₂O₃ vlokken werden gereinigd in aceton, ethanol, en gedemineraliseerd water met ultrasoon agitatie en vervolgens gedompeld in de HF: H₂O (1:10) oplossing om oppervlakte oxiden te verwijderen. Vervolgens werd de depositie van Ti/Au(20 nm/100 nm) metaalstack uitgevoerd op de hele achterzijde, en de snelle thermische verwerking bij 470 °C onder N₂ atmosfeer werd uitgevoerd gedurende 60 s om de ohmische contactweerstand te verlagen. Na spin-coaten op het oppervlak van β-Ga₂O₃ vlok voor drie keer, werd PEDOT:PSS gebakken op een elektrische hitteplaat bij 150 °C, en de bakduur was 15 min. Vervolgens werden geïsoleerde apparaten met een oppervlak van 1 mm × 2 mm verkregen. Uit de HRTEM afbeelding van Fig. 1b, kunnen we observeren dat de atomen regelmatig gerangschikt zijn en weinig atomaire kolom misalignments aanwezig zijn, wat een hoge kristalkwaliteit van de β-Ga₂O₃ vlok aangeeft. Zoals getoond in Fig. 1c, d, is de FWHM van HRXRD ongeveer 35,3 arcsec, en de root mean square (RMS) wordt geschat op 0,19 nm, wat de superieure kristalkwaliteit en gladde oppervlak illustreert.

Resultaat en Discussie

I-V Kenmerken en Barrièrehoogte

Zoals gepresenteerd in Fig. 2a, werden de I-V kenmerken van de hybride PEDOT:PSS/β-Ga₂O₃ Schottky barrière diodes onderzocht wanneer de temperatuur verandert van 298 K tot 423 K. De stroom neemt monotonoos toe met de temperatuur en de semi-log I-V curves tonen lineair gedrag als de voorwaartse spanning bias minder dan 1,5 V is. Naarmate de voorwaartse bias spanning verder toeneemt, neemt de helling van de semi-log I-V curves geleidelijk af, en de voorwaartse stroom benadert 6 ~ 8 × 10⁻⁴ A, wat aangeeft dat de serieweerstand de I-V curve doet afwijken van de lineariteit. Daarnaast is de omgekekte lekkagestroom minder dan 10⁻⁹ A bij -3 V, en de I_on/I_off verhouding is tot 10⁶ bij kamertemperatuur, wat een gelijkrichtend gedrag illustreert zo goed als anorganische β-Ga₂O₃ Schottky diodes.

Volgens de vergelijking I = I_s{exp[q(V - IR_s)/nkT] - 1} waar V de bias spanning is, T en k de absolute temperatuur en de Boltzmann constante, respectievelijk. De idealiteitsfactor n en de omgekeerde verzadigingsstroom I_s kunnen geëxtraheerd worden uit de y-as afsnijpunten en de hellingen van de lineaire extrapolatie van de semi-log I-V curves bij verschillende temperaturen. Hoewel de idealiteitsfactor n van de ideale Schottky diode gelijk is aan 1, is het altijd groter dan 1 in enigszins in daadwerkelijk apparaat. De afwijking van het thermische emissie (TE) model wordt veel groter naarmate n toeneemt. Volgens de uitdrukking φ_b = (kT/q)ln[AA*T²/I_s], kunnen we de Schottky barrièrehoogte φ_b bij verschillende temperaturen verkrijgen, zoals getoond in Fig. 2b. De toename in temperatuur zorgt ervoor dat φ_b toeneemt van 0,71 eV tot 0,84, 0,87, 0,90, 0,93, en 0,96 eV terwijl n afneemt van 4,27 tot 3,42, 3,35, 3,29, 3,06, en 2,86. Voor n veel groter dan 1, suggereert dit andere geleidingsmechanismen, zoals veld effect of thermisch veld effect, bijdragend aan de stroomtransport en resulterend in het verschil tussen zuiver TE model en de I-V kenmerken, wat geïllustreerd is in de wijd bandgat SBD's, inclusief GaN en SiC.

Omdat φ_b en n temperatuurafhankelijk zijn, moet de inhomogeniteit van barrièrehoogte overwogen worden bij PEDOT:PSS en β-Ga₂O₃ interface. Overwegend de Gaussiaanse verdeling van de barrièrehoogte, kan de inhomogene barrièrehoogte beschreven worden als φ_b = φ_b0(T=0) - qσ_s²/2kT en de variatie van n met T wordt gegeven door (1/n - 1) = ρ₂ - qρ₃/2kT, waar φ_b0 en σ_s de gemiddelde barrièrehoogte en de standaarddeviatie, respectievelijk, ρ₂ en ρ₃ de temperatuurafhankelijke spanningcoëfficiënten zijn, en de spanning deformatie van de Schottky barrièrehoogte (SBH) verdeling door hen gekwantificeerd werd (Fig. 3a). φ_b0 en σ_s kunnen berekend worden uit het afsnijpunt en de helling van de φ_b versus q/2kT curve, ongeveer 1,57 eV en 0,212 eV, respectievelijk. Tegelijkertijd worden ρ₂ en ρ₃ geëvalueerd als 0,4 eV en 0,02 eV uit het afsnijpunt en helling van de (1/n - 1) versus q/2kT plot. Vergeleken met φ_b0, is σ_s niet klein, wat het bestaan van barrière inhomogeniteit bij PEDOT:PSS/β-Ga₂O₃ interface illustreert.

Door rekening te houden met de barrièrehoogte inhomogeniteit, kan de relatie tussen de omgekeerde verzadigingsstroom I_s en de gemiddelde barrièrehoogte φ_b0 gewijzigd worden als ln(I_s/T²) - (q²σ_s²/2k²T²) = ln(AA*) - qφ_b0/kT. Het kan onderscheiden worden uit Fig. 3b dat de plot van de ln(I_s/T²) - (q²σ_s²/2k²T²) versus 1/kT een rechte lijn is, waaruit we de effectieve Richardson constante A* van 3,8 A cm⁻²K⁻² kunnen extraheren, een orde grootte kleiner dan de theoretische Richardson constante van 40,8 A cm⁻²K⁻² met de β-Ga₂O₃ effectieve massa van m* = 0,34 m₀. Dus, de temperatuurafhankelijke φ_b en n, met andere woorden, de Gaussiaanse verdeling van de barrières over SBHs kan gebruikt worden om de barrière inhomogeniteit bij de PEDOT:PSS/β-Ga₂O₃ interface te verklaren.

Kenmerken van UV Fotodetector

Zoals hierboven beschreven, vertoont de hybride β-Ga₂O₃ Schottky diode goede gelijkrichtende kenmerken; de verhouding van I_on/I_off tot 10⁶ in donkere toestand bij kamertemperatuur. De lagere donkere stroom I_dark van 9,4 nA@V_bias = -4 V kan bepaald worden uit Fig. 4a, wat een lagere ruiskarakteristiek aangeeft. Terwijl onder de normale incidentie van 254 nm golflengte met de fotodichtheid van 150 μW/cm², bereikt de fotostroom I_photo 112 nA@V_bias = -4 V. Daarnaast toont de fotodetector een zwak fotovoltaïsch effect met een fotostroom van 0,45 nA bij 0 V en een open-circuitspanning (V_oc) van 0,15 V, veel minder dan 0,9 V in referentie [38], wat toegeschreven kan worden aan de dragerdichtheid verschil en de resulterende Ferminiveau variatie. Figuur 4b vertegenwoordigt de lineaire I_photo versus V_bias bij verschillende P_light. Het apparaat toont de afhankelijkheid van I_photo op P_light, en I_photo neemt niet-lineair toe met P_light, met andere woorden, bij verschillende V_bias, tonen de plots van I_photo versus P_light een duidelijke superlineair gedrag, zoals getoond in Fig. 4c. Om het mechanisme van het superlineaire gedrag te verduidelijken, presenteert Fig. 4e het energiediagram van de PEDOT:PSS en β-Ga₂O₃ voor contact. De elektronaffiniteit en het bandgat van β-Ga₂O₃ zijn 4,0 eV en 4,9 eV, respectievelijk. De laagst onbezette moleculaire orbitaal (LUMO) is 3,3 eV, en de hoogst bezette moleculaire orbitaal van PEDOT:PSS is 5,2 eV. Toen ze in contact kwamen, werd een Schottky barrière gevormd. Wanneer het apparaat verlicht wordt en de omgekeerde bias toegepast wordt op de elektroden van de Schottky diodes, worden de fotogegenereerde elektronen-gaatjes paren snel gescheiden door het elektrisch veld en de gaten driften naar de anode terwijl de elektronen naar de kathode, zoals getoond in Fig. 4f. Voor de aanwezigheid van vallen bij de PEDOT:PSS/β-Ga₂O₃ interface, worden de gaten gevangen bij de interface toestanden en produceren netto positieve lading, wat de effectieve Schottky barrièrehoogte verlaagt, meer dragers laten stromen door de Schottky junctie, en de I_photo verbetert. Figuur 4d presenteert de foto-tot-donkere stroom verhouding (PDCR) curves onder verschillende P_light. Naarmate de spanning bias verschuift van 0V tot -1,2V, neemt de PDCR geleidelijk toe en daalt dan met de spanning bias meer negatief wordend, de hogere PDCR boven 20 wordt bereikt bij een V_bias van -1,2 V en een P_light van 150 μW/cm².

De tijdsafhankelijke fotorespons kenmerken van hybride fotodetector worden bestudeerd door gebruik te maken van blokgolf licht met een periode van 10 s onder de V_bias van -1,2 V en een P_light van 150 μW/cm². Na verschillende verlichtingscycli, bereiken de apparaten de stabiele on-state I_photo bij de gegeven P_light en V_bias, zoals vertegenwoordigd in Fig. 5a. De rijstijd en valtijd zijn 319 ms en 270 ms, respectievelijk, veel minder dan die van apparaten gefabriceerd op epitaxiale β-Ga₂O₃ films of β-Ga₂O₃ vlokken maar langer dan de data in [31]. Voor het bestaan van dubbele heterojunctie in [31], PEDOT:PSS/Ga₂O₃ bovenste junctie en Ga₂O₃/p-Si onderste junctie, kunnen de fotogegenereerde dragers effectiever gescheiden worden door de dubbele ingebouwde elektrisch velden dan de alleen PEDOT:PSS/Ga₂O₃ junctie in dit artikel. Daarom kunnen minder dragers gevangen worden door de defecten in [31], resulterend in kortere rijstijd en valtijd. Bovendien kan het overschieterende kenmerk waargenomen worden uit de vormen van fotorespons curves met een wigvormige kop bij de lagere P_light van 150 μW/cm² dan die voorgekomen bij de P_light van 600 μW/cm² in [30] voor de effectieve verzameling van fotogegenereerde dragers onder de omgekeerde bias van -1,2 V in plaats van 0 V.

Figuur 6 toont de responsiviteitskenmerken versus de verlichtingsoptische 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 corresponderende externe kwantumefficiëntie (EQE) van 3,16 × 10²% berekend door de uitdrukking EQE = hcR_max/(eλ), veel hoger dan die verkregen in [30, 38] voor de effectieve verzameling van fotogegenereerde dragers, waar R_max de piekresponsiviteit is, en h de Planck constante. e en λ zijn de elektronische lading en de verlichtingsgolflengte, respectievelijk. Naarmate de golflengte langer is dan 290 nm, is de fotoresponsiviteit lager dan 1 × 10⁻³, wat een veel betere spectrale selectiviteit in de hybride β-Ga₂O₃ apparaten illustreert. Tegelijkertijd is de afwijzingsverhouding van R₂₅₄ nm/R₄₀₀ nm bepaald als 1,26 × 10³. Vergeleken met de gerapporteerde anorganische Ga₂O₃ fotodetector, bezit het hybride apparaat een hogere fotoresponsiviteit, snellere responstijd en grotere UV/zichtbare afwijzingsverhouding, wat een veelbelovende zonblinde fotodetector met hoge prestaties impliceert.

Conclusies

We hebben PEDOT:PSS/β-Ga₂O₃ hybride Schottky barrière diode gefabriceerd. De Schottky barrièrehoogte φ_b en idealiteitsfactor n zijn afhankelijk van temperatuur, wat aangeeft dat de Schottky barrièrehoogte inhomogeen was bij PEDOT:PSS/β-Ga₂O₃ interface. De gemiddelde barrièrehoogte en standaarddeviatie kunnen geëvalueerd worden als 1,57 eV en 0,212 eV, respectievelijk, gebaseerd op het Gaussiaanse barrièrehoogte verdelingsmodel. Verder werden de kenmerken van PEDOT:PSS/β-Ga₂O₃ DUV Schottky barrière fotodetectors ook onderzocht. Een hogere responsiviteit van 0,6 A/W, afwijzingsverhouding van R₂₅₄ nm/R₄₀₀ nm = 1,26 × 10³, EQE van 3,16 × 10⁴% en een snellere responstijd van minder dan 320 ms worden bereikt, wat suggereert dat de hybride Schottky barrière diodes gebruikt kunnen worden als DUV optische schakelaars of fotodetectors.