Гибридные PEDOT:PSS/β-Ga2O3 глубоко-ультрафиолетовые Шотткиевские фотодетекторы: анализ температурно-зависимой производительности

Аннотация

В работе изготовлены гибридные Шотткиевские диоды β-Ga₂O₃ с PEDOT:PSS в качестве анода. Электрические характеристики изучались при температуре 298–423 К. Барьерная высота φ_b растет, идеальность фактор n снижается с повышением температуры, указывая на неоднородность барьерной высоты на границе полимер/β-Ga₂O₃. Средняя барьерная высота и стандартное отклонение: 1,57 эВ и 0,212 эВ по модели Гауссова распределения барьерной высоты. Получены быстрая скорость отклика <320 мс, высокая чувствительность 0,6 А/Вт, коэффициент подавления R₂₅₄ нм/R₄₀₀ нм до 1,26×10³, что позволяет использовать гибридные PEDOT:PSS/β-Ga₂O₃ Шотткиевские диоды как глубоко-ультрафиолетовые (DUF) оптические переключатели или фотодетекторы.

Введение

Многие группы уделяют внимание новому ультраширокополосному полупроводнику β-Ga₂O₃ как потенциальному материалу для DUF фотодетекторов, высоковольтных и высокомощных устройств за счет широкой запрещенной зоны (4,8–4,9 эВ), высокого пробойного поля (8 МВ/см) и химической стабильности. Кроме того, β-Ga₂O₃ легко расщепляется на наномембраны или тонкие ленты уникальным свойством большой решетчной постоянной по направлению [100]. Различные металлы (Cu, Pd, Pt, Au, Ni, TiN) использовались для изучения электрических характеристик β-Ga₂O₃ Шотткиевских барьерных диодов (SBD). Однако Шотткиевские диоды с некоторыми полимерами и их электрические характеристики еще не изучались. Среди органических материалов PEDOT:PSS — прозрачный дырочный проводящий полимер, проводимость до 500 С/см, рабочая функция 5,0–5,3 эВ, близко к Au и Ni. Пленка PEDOT:PSS формируется только спин-коутингом на подложку и последующим выпеканием в воздухе. Есть исследования прозрачного Шотткиевского контакта PEDOT:PSS на ZnO односвинцовой подложке и GaN эпитаксиальном слое, показывающие хорошие выпрямляющие и фотоэлектрические/фотовольтаические свойства.

В этой работе гибридный Шотткиевский диод изготовлен из полимера PEDOT:PSS и механически эксфолированных β-Ga₂O₃ хлопьев с высококачественной β-Ga₂O₃ подложки. Электрические характеристики диодов изучались в температурном диапазоне 298–423 К. Также проводились I-V измерения под УФ освещением, измерялась чувствительность, анализировалось переходное поведение фототока.

Экспериментальные методы

β-Ga₂O₃ хлопья толщиной 15–25 мкм механически эксфолированы из (100) β-Ga₂O₃ подложки с электронной концентрацией 7×10¹⁶ см⁻³. Электронная плотность 2–3 порядка выше, чем в неумышленно легированном Ga₂O₃ эпитаксиальном слое на сапфире, и высокопроводящая PEDOT:PSS пленка используется здесь, поэтому pn гетероструктура формировалась в [30], а Шотткиевский переход — в этой работе. Рис. 1a — схема гибридного PEDOT:PSS/β-Ga₂O₃ Шотткиевского диода. β-Ga₂O₃ хлопья очищали в ацетоне, этаноле, деионизированной воде в ультразвуке, затем погружали в HF:H₂O (1:10) для удаления поверхностных оксидов. На всю тыльную сторону осаждали Ti/Au (20 нм/100 нм) металлический стек, быструю термическую обработку 470 °C в N₂ 60 с для снижения омического контактного сопротивления. После тройного спин-коутинга на поверхность β-Ga₂O₃ хлопья PEDOT:PSS выпекали на электрической горячей пластине 150 °C 15 мин. Получили изолированные устройства площадью 1×2 мм. HRTEM (Рис. 1b): атомы регулярно расположены, мало столбцов с десайнировкой — высокое кристаллическое качество. Рис. 1c,d: FWHM HRXRD ~35,3 угл. сек, RMS ~0,19 нм — высокое кристаллическое качество и гладкая поверхность.

Результаты и обсуждение

I-V характеристики и барьерная высота

Рис. 2a — I-V характеристики гибридных PEDOT:PSS/β-Ga₂O₃ SBD при температуре 298–423 К. Ток монотонно растет с температурой, полулог I-V кривые линейны при прямом смещении <1,5 В. При дальнейшем увеличении смещения наклон полулог I-V постепенно снижается, прямой ток приближается к 6–8×10⁻⁴ А, указывая на сериальное сопротивление, вызывающее отклонение I-V от линейности. Обратный ток утечки <10⁻⁹ А при −3 В, отношение I_on/I_off до 10⁶ при комнатной температуре — выпрямляющее поведение сравнимое с неорганическими β-Ga₂O₃ SBD.

По уравнению I = I_s {exp[q(V−IR_s)/nkT]−1}, где V — смещение, T, k — абсолютная температура и постоянная Больцмана. Фактор идеальности n и обратный насыщенный ток I_s извлекаются из пересечений с осью y и наклонов линейной экстраполяции полулог I-V при разных температурах. Идеальный n=1, но в реальных устройствах n>1. Отклонение термической эмиссии (TE) модели растет с n. По φ_b = (kT/q) ln[AA*T²/I_s] получают φ_b при разных температурах (Рис. 2b). Повышение температуры вызывает рост φ_b от 0,71 эВ до 0,84, 0,87, 0,90, 0,93, 0,96 эВ, а n снижается от 4,27 до 3,42, 3,35, 3,29, 3,06, 2,86. n>>1 указывает на другие механизмы проводимости (польный эффект, термо-польный), вкладывающиеся в перенос заряда и вызывающие разницу между чистой TE моделью и I-V, как в широкополосных SBD (GaN, SiC).

Так как φ_b и n температурно-зависимы, не однородность барьерной высоты должна учитываться на границе PEDOT:PSS/β-Ga₂O₃. Учитывая Гауссово распределение барьерной высоты, неоднородная барьерная высота описывается: φ_b = φ_b0(T=0) − qσ_s²/2kT, вариация n с T: (1/n−1) = ρ₂ − qρ₃/2kT, где φ_b0 и σ_s — средняя барьерная высота и стандартное отклонение, ρ₂, ρ₃ — температурно-зависимые вольтажные коэффициенты, квантифицирующие деформацию распределения SBH (Рис. 3a). φ_b0 и σ_s из перехвата и наклона φ_b vs q/2kT: ~1,57 эВ и 0,212 эВ. Одновременно ρ₂, ρ₃ из перехвата и наклона (1/n−1) vs q/2kT: 0,4 эВ и 0,02 эВ. По сравнению с φ_b0, σ_s не мало, иллюстрируя существование барьерной неоднородности на границе PEDOT:PSS/β-Ga₂O₃.

Учитывая неоднородность барьерной высоты, связь между обратным насыщенным током I_s и средней барьерной высотой φ_b0 модифицируется: ln(I_s/T²) − (q²σ_s²/2k²T²) = ln(AA*) − qφ_b0/kT. Из Рис. 3b видно, что график ln(I_s/T²)−(q²σ_s²/2k²T²) vs 1/kT — прямая линия, из которой извлекают эффективную Ричардсоновскую постоянную A* = 3,8 А·см⁻²·К⁻², на порядок меньше теоретической 40,8 А·см⁻²·К⁻² для β-Ga₂O₃ с эффективной массой m*=0,34 m₀. Температурно-зависимые φ_b и n, то есть Гауссово распределение барьеров по SBH, объясняют неоднородность барьера на границе PEDOT:PSS/β-Ga₂O₃.

Характеристики УФ фотодетектора

Гибридный β-Ga₂O₃ Шотткиевский диод показывает хорошие выпрямляющие характеристики: I_on/I_off до 10⁶ в темноте при комнатной температуре. Низкий темновой ток I_dark = 9,4 нА при V_bias = −4 В (Рис. 4a) — низкий шум. При нормальном падении 254 нм с плотностью мощности 150 мкВт/см² фоток I_photo = 112 нА при V_bias = −4 В. Устройство показывает слабый фотоэлектрический эффект: фоток 0,45 нА при 0 В, V_oc = 0,15 В, намного меньше 0,9 В в [38], возможно из-за разницы концентрации носителей и вариации ферми-уровня. Рис. 4b — линейный I_photo vs V_bias при разных P_light. Устройство показывает зависимость I_photo от P_light, I_photo нелинейно растет с P_light, то есть при разных V_bias графики I_photo vs P_light демонстрируют явную суперлинейность (Рис. 4c). Для объяснения механизма суперлинейности Рис. 4e — энергетическая диаграмма PEDOT:PSS и β-Ga₂O₃ до контакта. Электронное сродство β-Ga₂O₃ 4,0 эВ, запрещенная зона 4,9 эВ. LUMO PEDOT:PSS 3,3 эВ, HOMO 5,2 эВ. При контакте формируется Шотткиевский барьер. При освещении и обратном смещении фотоэлектрон-дырочные пары быстро разделяются электрическим полем: дыры дрейфуют к аноду, электроны к катоду (Рис. 4f). Из-за ловушек на границе PEDOT:PSS/β-Ga₂O₃ дыры захватываются интерфейсными состояниями, создавая чистый положительный заряд, снижая эффективную высоту Шотткиевского барьера, больше носителей проходит через переход, улучшая I_photo. Рис. 4d — кривые фото/темновой ток (PDCR) при разных P_light. При смещении от 0 В до −1,2 В PDCR растет, затем падает при более отрицательном смещении, максимальный PDCR >20 при V_bias = −1,2 В и P_light = 150 мкВт/см².

Временные фотоответные характеристики изучали квадратной волной света периодом 10 с при V_bias = −1,2 В, P_light = 150 мкВт/см². После нескольких циклов освещения устройства достигают стабильного on-state I_photo при заданных P_light, V_bias (Рис. 5a). Время нарастания и спада: 319 мс и 270 мс — намного меньше, чем у устройств на эпитаксиальных β-Ga₂O₃ пленках или хлопьях, но больше, чем в [31]. Из-за двойной гетероструктуры в [31] (PEDOT:PSS/Ga₂O₃ верхний переход и Ga₂O₃/p-Si нижний) фотоносители разделяются эффективнее двойными встроенными полями, чем единственным PEDOT:PSS/Ga₂O₃ переходом здесь. Меньше носителей захватывается дефектами в [31], давая более короткие времена нарастания/спада. Кроме того, наблюдается эффект перелета (overshoot) с клиновидной головкой при низком P_light 150 мкВт/см² по сравнению с 600 мкВт/см² в [30] за счет эффективного сбора фотоносителей при обратном смещении −1,2 В а не 0 В.

Рис. 6 — чувствительность vs длина волны при V_bias = −1,2 В. Максимальная чувствительность R_max = 0,62 А/Вт при λ = 244 нм, соответствующая EQE = 3,16×10²% по EQE = hcR_max/(eλ), намного выше [30,38] за счет эффективного сбора фотоносителей. При λ > 290 нм фоточувствительность <1×10⁻³ — гораздо лучшая спектральная селективность. Коэффициент подавления R₂₅₄ нм/R₄₀₀ нм = 1,26×10³. По сравнению с неорганическими Ga₂O₃ фотодетекторами, гибридное устройство обладает более высокой фоточувствительностью, более быстрой скоростью отклика и большим UV/видимый коэффициент подавления, что обещает высокопроизводительные солнечно-слепые фотодетекторы.

Заключение

Изготовлен PEDOT:PSS/β-Ga₂O₃ гибридный Шотткиевский барьерный диод. Барьерная высота φ_b и фактор идеальности n зависят от температуры, указывая на неоднородность барьерной высоты на границе PEDOT:PSS/β-Ga₂O₃. Средняя барьерная высота и стандартное отклонение оценены 1,57 эВ и 0,212 эВ по модели Гауссова распределения. Дальше изучены характеристики PEDOT:PSS/β-Ga₂O₃ DUF Шотткиевских фотодетекторов. Достигнуты высокая чувствительность 0,6 А/Вт, коэффициент подавления R₂₅₄ нм/R₄₀₀ нм = 1,26×10³, EQE = 3,16×10⁴% и быстрая скорость отклика <320 мс, что позволяет использовать гибридные Шотткиевские барьерные диоды как DUF оптические переключатели или фотодетекторы.

Доступность данных и материалов

Все данные доступны у авторов по разумному запросу.

Аббревиатуры

AFM:

Atomic force microscope (атомно-силовой микроскоп)

DUV:

Deep ultraviolet (глубокий ультрафиолет)

EQE:

External quantum efficiency (внешняя квантовая эффективность)

FWHM:

Full-width half maximum (полная ширина на полувысоте)

HRTEM:

High-resolution transmission electron microscopy (высокоразрешающая проходная электронная микроскопия)

LUMO:

Lowest unoccupied molecular orbital (наименьшая свободная молекулярная орбиталь)

PDCR:

Photo to dark current ratio (отношение фототока к темновому току)

RMS:

Root mean square (среднеквадратичное значение)

SBDs:

Schottky barrier diodes (Шотткиевские барьерные диоды)

TE:

Thermal emission (термическая эмиссия)