Исследование гибридного PEDOT:PSS / β-Ga2O3 фотодетекторы с барьером Шоттки в глубоком ультрафиолете

Введение

Многие исследовательские группы уделили много внимания новому сверхширокозонному полупроводнику β-Ga ₂ . О ₃ в качестве потенциального материала для фотодетекторов глубокого ультрафиолета (DUV) [1,2,3,4,5,6,7], устройств высокого напряжения и большой мощности из-за его широкой запрещенной зоны (4,8–4,9 эВ), высокого электрического поля пробоя (8 МВ / см) и химическая стабильность [8,9,10,11]. Кроме того, β-Ga ₂ легко расщепить О ₃ в наномембраны или тонкие ленты [12, 13] из-за его уникального свойства большой постоянной решетки вдоль направления [100]. Различные металлы, такие как Cu [14], Pd [15], Pt [11, 16,17, 18,19], Au [15, 20], Ni [16, 21,22,23] и TiN [18] были использованы для исследования электрических характеристик β-Ga ₂ О ₃ Диоды с барьером Шоттки (SBD). Однако диоды Шоттки, изготовленные из некоторых полимеров, и их электрические характеристики еще не сообщены. Среди всех органических материалов PEDOT:PSS является одним из прозрачных полимеров с дырочной проводимостью, проводимость которого составляет до 500 См / см, а работа выхода составляет до 5,0 ~ 5,3 эВ, что близко к Au и Ni [23,24,25 ]. Кроме того, пленка PEDOT:PSS может быть сформирована только методом центрифугирования на подложку и последующим обжигом на воздухе. Проводятся некоторые исследования прозрачного контакта Шоттки PEDOT:PSS на монокристаллической подложке ZnO и эпитаксиальном слое GaN, демонстрирующего хорошие выпрямляющие свойства и фотоэлектрические или фотовольтаические характеристики [26,27,28,29].

В этой работе гибридный диод Шоттки был изготовлен из полимера PEDOT:PSS и механически расслоенного β-Ga ₂ О ₃ хлопья из высококачественного β-Ga ₂ О ₃ субстрат. Электрические характеристики диодов были исследованы в диапазоне температур от 298 K до 423 K. Кроме того, были проведены измерения ВАХ при УФ-освещении, измерена чувствительность и проанализировано переходное поведение фототока.

Экспериментальные методы

Β-Ga ₂ О ₃ чешуйки толщиной 15–25 мкм механически отслаивались от (100) β-Ga ₂ О ₃ подложка с концентрацией электронов 7 × 10 ¹⁶ см ⁻³ . Ведь электронная плотность на 2–3 порядка выше, чем в непреднамеренно легированном Ga ₂ О ₃ эпитаксиальный слой, нанесенный на сапфировую подложку в [30], и пленки PEDOT:PSS с высокой проводимостью использовались в этой работе, поэтому в [30] был сформирован pn-гетеропереход, а в этой работе [30] был сформирован переход Шоттки. На рисунке 1а показана схематическая диаграмма гибридного PEDOT:PSS / β-Ga ₂ . О ₃ Диод Шоттки. Β-Ga ₂ О ₃ хлопья очищали в ацетоне, этаноле и деионизированной воде с ультразвуковым перемешиванием, а затем погружали в HF:H ₂ О (1:10) раствор для удаления поверхностных оксидов. Затем было выполнено нанесение металлической стопки Ti / Au (20 нм / 100 нм) на всю тыльную сторону и быстрая термическая обработка при 470 ° C в атмосфере N ₂ атмосферу выдерживали в течение 60 с для уменьшения сопротивления омического контакта. После центрифугирования на поверхность β-Ga ₂ О ₃ трижды выпекали PEDOT:PSS на электрической плитке при 150 ° C, продолжительность выпекания составляла 15 мин. Впоследствии были получены изолированные устройства площадью 1 мм × 2 мм. Из изображения HRTEM на рис. 1b мы можем наблюдать, что атомы расположены регулярно и присутствует небольшое количество рассогласований атомных столбцов, что указывает на высокое качество кристаллов β-Ga ₂ О ₃ хлопья. Как показано на рис. 1c, d, FWHM HRXRD составляет около 35,3 угловой секунды, а среднеквадратичное значение (RMS) оценивается в 0,19 нм, что свидетельствует о превосходном качестве кристалла и гладкой поверхности.

Принципиальная схема гибридного PEDOT:PSS / β-Ga ₂ О ₃ Диод Шоттки ( а ), Изображение HRTEM ( b ), Кривая качания HRXRD плоскости (400) ( c ), АСМ изображение β-Ga ₂ О ₃ хлопья, полученные из β-Ga ₂ О ₃ подложка путем механического расслаивания, демонстрируя высокое качество кристаллов и гладкую поверхность ( d )

Результат и обсуждение

ВАХ и высота барьера

Как показано на рис. 2а, ВАХ гибридного PEDOT:PSS / β-Ga ₂ О ₃ Диоды с барьером Шоттки были исследованы при изменении температуры от 298 K до 423 K. Ток монотонно растет с температурой, и полулогарифмические ВАХ показывают линейное поведение, если прямое смещение напряжения меньше 1,5 В. Поскольку прямое смещение напряжение увеличивается, наклон полулогарифмических ВАХ постепенно уменьшается, и прямой ток приближается к 6 ~ 8 × 10 ⁻⁴ A, что указывает на то, что последовательное сопротивление вызывает отклонение ВАХ от линейности. Кроме того, обратный ток утечки меньше 10 ⁻⁹ А на - 3 В, а на I _на / Я _выкл коэффициент до 10 ⁶ при комнатной температуре, демонстрируя такие же хорошие свойства выпрямления, как неорганический β-Ga ₂ О ₃ Диоды Шоттки [11,12,13,14,15].

Температурно-зависимые ВАХ PEDOT:PSS / β-Ga ₂ О ₃ SBD от 298 до 423 K ( a ) и высоту барьера Шоттки ϕ _b и коэффициент идеальности n гибридного β-Ga ₂ О ₃ SBD ( b )

Согласно уравнению \ (I ={I} _s \ left \ {\ exp \ left [\ frac {q \ left (V- {IR} _s \ right)} {nkT} \ right] -1 \ right \} \) где V напряжение смещения, T и k - абсолютная температура и постоянная Больцмана соответственно. Фактор идеальности n и обратный ток насыщения I _s можно извлечь из y -оси пересечения и наклоны линейной экстраполяции полулогарифмических ВАХ при различных температурах. Хотя коэффициент идеальности n идеального диода Шоттки равен 1, в реальных устройствах он всегда в некоторой степени больше 1. Отклонение модели теплового излучения (TE) становится намного больше, чем n увеличивается. Согласно выражению \ ({\ phi} _b =\ frac {kT} {q} \ ln \ left [\ frac {AA ^ {\ ast} {T} ^ 2} {I_s} \ right] \), мы можно получить высоту барьера Шоттки ϕ _б при разных температурах, как показано на рис. 2б. Повышение температуры вызывает ϕ _б увеличиться с 0,71 эВ до 0,84, 0,87, 0,90, 0,93 и 0,96 эВ, в то время как n снизится с 4,27 до 3,42, 3,35, 3,29, 3,06 и 2,86. Для n намного больше 1, что предполагает другие механизмы проводимости, такие как эффект поля или эффект теплового поля, вносящие вклад в перенос тока и приводящие к различию между чистой TE-моделью и ВАХ, что было проиллюстрировано на SBD с широкой запрещенной зоной, включая GaN и SiC [31,32,33,34].

Для ϕ _б и н зависят от температуры, неоднородность высоты барьера следует учитывать в PEDOT:PSS и β-Ga ₂ О ₃ интерфейс. Учитывая гауссово распределение высоты барьера, высоту неоднородного барьера можно описать как \ ({\ phi} _b =\ overline {\ phi_ {b0}} \ left (T =0 \ right) - \ frac {q {\ sigma} _s ^ 2} {2 kT} \) и вариант n с T задается как \ (\ left (\ frac {1} {n} -1 \ right) ={\ rho} _2- \ frac {q {\ rho} _3} {2 kT} \), где \ (\ overline {\ phi_ {b0}} \) и σ _s - средняя высота барьера и стандартное отклонение, соответственно, ρ ₂ и ρ ₃ - температурно-зависимые коэффициенты напряжения, и деформация напряжения распределения высоты барьера Шоттки (SBH) была определена ими количественно (рис. 3a). \ (\ overline {\ phi_ {b0}} \) и σ _s может быть вычислен из точки пересечения и наклона ϕ _б по сравнению с q / 2 тыс. Тонн кривая составляет около 1,57 и 0,212 эВ соответственно. В то же время ρ ₂ и ρ ₃ оцениваются как 0,4 эВ и 0,02 эВ от точки пересечения и наклона (1 / n - 1) против q / 2 тыс. Тонн участок. По сравнению с \ (\ overline {\ phi_ {b0}} \), σ _s не мала, что свидетельствует о наличии неоднородности барьера в PEDOT:PSS / β-Ga ₂ О ₃ интерфейс [35].

Вариант SBH ϕ _b и ( n ^-1 - 1) с q / 2 тыс. Т кривые, \ (\ overline {\ phi_ {b0}} \) и σ _s можно получить ( a ), модифицированный \ (\ ln \ left ({I} _ {\ mathrm {s}} / {T} ^ 2 \ right) - \ left ({q} ^ 2 {\ sigma} _ {\ mathrm {s} } ^ 2/2 {k} ^ 2 {T} ^ 2 \ right) \) по сравнению с 1000 / T сюжет ( b )

Учитывая неоднородность высоты барьера, соотношение между обратным током насыщения I _s а средняя высота барьера \ (\ overline {\ phi_ {b0}} \) может быть изменена как \ (\ 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) - \ гидроразрыва {q \ overline {\ phi_ {b0}}} {kT} \). Из рис. 3b видно, что график \ (\ ln \ left ({I} _ {\ mathrm {s}} / {T} ^ 2 \ right) - \ left ({q} ^ 2 { \ sigma} _ {\ mathrm {s}} ^ 2/2 {k} ^ 2 {T} ^ 2 \ right) \) по сравнению с 1 / kT прямая линия, из которой мы можем извлечь эффективную постоянную Ричардсона A ^* 3,8 А см ⁻² К ⁻² , на порядок меньше теоретической постоянной Ричардсона 40,8 А см ⁻² К ⁻² с β-Ga ₂ О ₃ эффективная масса м * =0,34 м ₀ [36, 37]. Таким образом, зависящий от температуры ϕ _б и н другими словами, гауссово распределение барьеров по SBH может быть использовано для объяснения неоднородности барьера на PEDOT:PSS / β-Ga ₂ О ₃ интерфейс.

Характеристики УФ-фотодетектора

Как описано выше, гибрид β-Ga ₂ О ₃ Диод Шоттки показывает хорошие выпрямительные характеристики; соотношение I _на / Я _выкл до 10 ⁶ в темном состоянии при комнатной температуре. Нижний темновой ток I _темный 9,4 нА при В _{предвзятость} =- 4 В можно определить из рис. 4а, что указывает на более низкую шумовую характеристику. При нормальном падении с длиной волны 254 нм и фотоплотностью 150 мкВт / см ² , фототок I _фото достигает 112 нА @ V _{предвзятость} =- 4 В. Кроме того, фотоприемник показывает слабый фотоэлектрический эффект с фототоком 0,45 нА при 0 В и напряжении холостого хода ( В _oc ) 0,15 В, что намного меньше 0,9 В в [38], что может быть связано с разницей в плотности носителей и возникающим в результате изменением уровня Ферми. Рисунок 4b представляет линейный I _фото по сравнению с V _{предвзятость} при различных P _свет . Прибор показывает зависимость I _фото на P _свет , а I _фото нелинейно возрастает с увеличением P _свет , другими словами, при разных V _{предвзятость,} сюжеты I _фото по сравнению с P _свет демонстрируют очевидное сверхлинейное поведение, как показано на рис. 4c. Чтобы прояснить механизм сверхлинейного поведения, на рис. 4e представлена ​​энергетическая диаграмма PEDOT:PSS и β-Ga ₂ О ₃ перед контактом. Сродство к электрону и запрещенная зона β-Ga ₂ О ₃ равны 4,0 и 4,9 эВ соответственно. Самая низкая свободная молекулярная орбиталь (НСМО) составляет 3,3 эВ, а самая высокая занятая молекулярная орбиталь PEDOT:PSS составляет 5,2 эВ [39]. Когда они вошли в контакт, образовался барьер Шоттки. Когда устройство освещается и к электродам диодов Шоттки прикладывается обратное смещение, генерируемые фотоэлектронно-дырочные пары быстро разделяются электрическим полем, и дырки дрейфуют к аноду, а электроны - к катоду, как показано на Рис. 4f. На наличие ловушек на ПЭДОТ:PSS / β-Ga ₂ О ₃ На границе раздела дыры захватываются в состояниях границы раздела и производят результирующие положительные заряды, уменьшая эффективную высоту барьера Шоттки, увеличивая количество носителей, протекающих через соединение Шоттки, и улучшая I _фото . На рисунке 4d представлены кривые отношения фото / темнового тока (PDCR) при различных значениях P _свет . При смещении напряжения смещения от

Связь между фототоком I _фото @ 150 мкВт / см ² , темновой ток I _темный , и напряжение смещения В _{предвзятость} ( а ), графики I _фото по сравнению с V _{предвзятость} под разными P _свет ( б ), линейный I _фото как функция от P _свет ( c ), кривые отношения фото к темновому току (PDCR) при различных P _свет ( д ), зонная диаграмма PEDOT:PSS и β-Ga ₂ О ₃ перед контактом ( e ), зонная диаграмма PEDOT:PSS и β-Ga ₂ О ₃ при обратном смещении после контакта состояние без приложенного напряжения и состояние с обратным смещением показаны сплошной линией и пунктирной линией соответственно ( f )

От 0 В до -1,2 В, PDCR постепенно увеличивается, а затем уменьшается по мере того, как напряжение смещения становится более отрицательным, более высокое значение PDCR выше 20 достигается при В _{предвзятость} от - 1,2 В и P _свет 150 мкВт / см ² .

Зависимые от времени характеристики фотоотклика гибридного фотоприемника изучаются с использованием прямоугольного светового сигнала с периодом 10 с под V _{предвзятость} от - 1,2 В и P _свет 150 мкВт / см ² . После нескольких циклов освещения устройства достигают стабильного включенного состояния I _фото при заданном P _свет и V _{предвзятость} , как показано на рис. 5а. Время нарастания и затухания составляет 319 мс и 270 мс [40, 41] соответственно, что намного меньше, чем у устройств, изготовленных на эпитаксиальном β-Ga ₂ О ₃ пленки или β-Ga ₂ О ₃ хлопья [35, 42, 43], но длиннее данных [31]. Для существования двойного гетероперехода в [31] PEDOTT:PSS / Ga ₂ О ₃ верхний переход и Ga ₂ О ₃ / p-Si нижний переход, фотогенерированные носители могут быть более эффективно разделены двойными встроенными электрическими полями, чем единственный PEDOTT:PSS / Ga ₂ О ₃ соединение в этой статье. Следовательно, меньше носителей может быть захвачено дефектами в [31], что приведет к более короткому времени нарастания и затухания. Кроме того, характер выхода за пределы можно наблюдать по форме кривых фотоотклика с клиновидной головкой в ​​нижней части P _свет 150 мкВт / см ² чем это произошло в P _свет 600 мкВт / см ² в [30] для эффективного сбора фотогенерированных носителей заряда при обратном смещении -1,2 В, а не 0 В.

Мультициклы ( а ) и однократный ( b ) зависящего от времени I _фото гибридного PEDOT:PSS / β-Ga ₂ О ₃ Фотоприемник с барьером Шоттки на V _{предвзятость} =- 1,2 В, время нарастания и затухания определены равными 319 мс и 270 мс соответственно

На рисунке 6 показаны характеристики чувствительности в зависимости от оптического освещения λ . под V _{предвзятость} - 1,2 В. Максимальная чувствительность R _макс 0,62 A / W достигается при λ 244 нм и соответствующая внешняя квантовая эффективность (EQE) 3,16 × 10 ² % рассчитывается по выражению EQE = hcR _макс / ( eλ ), намного выше, чем полученное в [30, 38] для эффективного сбора фотогенерированных носителей, где R _макс - пиковая чувствительность, а h - постоянная Планка. е и λ - заряд электрона и длина волны освещения соответственно. Поскольку длина волны больше 290 нм, светочувствительность ниже 1 × 10 ⁻³ , демонстрирующий гораздо лучшую спектральную селективность в гибридном β-Ga ₂ О ₃ устройств. При этом коэффициент отклонения R _{254 нм} / R _{400 нм} определяется как 1,26 × 10 ³ . По сравнению с зарегистрированным неорганическим Ga ₂ О ₃ фотодетектор [43,44,45,46,47,48,49], гибридное устройство обладает более высокой светочувствительностью, более высокой скоростью отклика и большим коэффициентом отклонения УФ / видимого излучения, что подразумевает перспективные солнечные слепые фотоприемники с высокими характеристиками.

Чувствительность в зависимости от длины волны для PEDOT:PSS / Ga ₂ О ₃ гибридные фотоприемники на V _{предвзятость} =-1,2 В

Выводы

Мы изготовили ПЭДОТ:PSS / β-Ga ₂ О ₃ гибридный диод с барьером Шоттки. Высота барьера Шоттки ϕ _б и коэффициент идеальности n зависят от температуры, указывает на то, что высота барьера Шоттки была неоднородной в PEDOT:PSS / β-Ga ₂ О ₃ интерфейс. Средняя высота барьера и стандартное отклонение могут быть оценены как 1,57 эВ и 0,212 эВ, соответственно, на основе модели распределения высоты барьера по Гауссу. Кроме того, характеристики PEDOT:PSS / β-Ga ₂ О ₃ Также были исследованы фотоприемники с барьером Шоттки DUV. Более высокая чувствительность 0,6 A / W, коэффициент подавления R _{254 нм} / R _{400 нм} =1,26 × 10 ³ , EQE 3,16 × 10 ⁴ % и более высокая скорость отклика менее 320 мс, что позволяет предположить, что гибридные диоды с барьером Шоттки могут использоваться в качестве оптических переключателей или фотоприемников DUV.

Доступность данных и материалов

Все данные доступны у авторов по обоснованному запросу.

Сокращения

AFM:

Атомно-силовой микроскоп

DUV:

Глубокий ультрафиолет

EQE:

Внешняя квантовая эффективность

FWHM:

Половина максимальной ширины

HRTEM:

Просвечивающая электронная микроскопия высокого разрешения

LUMO:

Самая низкая незанятая молекулярная орбиталь

PDCR:

Соотношение фото и темного тока

RMS:

Среднеквадратичное значение

SBD:

Диоды с барьером Шоттки

TE:

Тепловое излучение