Die Untersuchung hybrider PEDOT:PSS/β-Ga2O3-Tief-Ultraviolett-Schottky-Barriere-Photodetektoren

Einführung

Viele Forschungsgruppen haben einem neuen Halbleiter mit ultrabreiter Bandlücke aus β-Ga₂ . große Aufmerksamkeit gewidmet O₃ als potenzielles Material für Tief-Ultraviolett-(DUV)-Photodetektoren [1,2,3,4,5,6,7], Hochspannungs- und Hochleistungsgeräte wegen seiner großen Bandlücke (4,8–4,9 eV) und seines hohen elektrischen Durchbruchfeldes (8 MV/cm) und chemische Stabilität [8,9,10,11]. Außerdem ist es einfach, β-Ga₂ . zu spalten O₃ in Nanomembranen oder dünne Gürtel [12, 13] wegen seiner einzigartigen Eigenschaft der großen Gitterkonstanten entlang der [100] Richtung .Verschiedene Metalle, wie Cu [14], Pd [15], Pt [11, 16,17, 18,19], Au [15, 20], Ni [16, 21,22,23] und TiN [18] wurden verwendet, um die elektrischen Eigenschaften von β-Ga₂ . zu untersuchen O₃ Schottky-Dioden (SBD). Jedoch wurden die mit etwas Polymer hergestellten Schottky-Dioden und die elektrischen Eigenschaften noch nicht berichtet. Unter allen organischen Materialien ist PEDOT:PSS eines der transparenten lochleitenden Polymere mit einer Leitfähigkeit von bis zu 500 S/cm und einer Austrittsarbeit von bis zu 5,0 ~ 5,3 eV, in der Nähe von Au und Ni [23,24,25 ]. Darüber hinaus kann der PEDOT:PSS-Film nur durch Schleuderbeschichtung auf das Substrat und anschließendes Einbrennen an der Luft gebildet werden. Es gibt einige Untersuchungen zum transparenten Schottky-Kontakt von PEDOT:PSS auf einem einkristallinen ZnO-Substrat und einer GaN-Epischicht, die gute Gleichrichtungseigenschaften und photoelektrische oder photovoltaische Eigenschaften aufweisen [26,27,28,29].

In dieser Arbeit wurde die Hybrid-Schottky-Diode mit PEDOT:PSS-Polymer und dem mechanisch abgeblätterten β-Ga₂ . hergestellt O₃ Flocken aus dem hochwertigen β-Ga₂ O₃ Substrat. Die elektrischen Eigenschaften der Dioden wurden im Temperaturbereich zwischen 298 K und 423 K untersucht. Weiterhin wurden die I–V-Messungen unter UV-Beleuchtung durchgeführt, die Empfindlichkeit gemessen und auch das Einschwingverhalten des Photostroms analysiert.

Experimentelle Methoden

Das β-Ga₂ O₃ Flocken mit einer Dicke von 15–25 µm wurden mechanisch vom (100) β-Ga₂ . abgeblättert O₃ Substrat mit einer Elektronenkonzentration von 7 × 10 ¹⁶ cm ⁻³ . Denn die Elektronendichte ist 2–3 Größenordnungen höher als die im ungewollt dotierten Ga₂ O₃ Epilayer auf Saphirsubstrat in [30] abgeschieden und die hochleitfähigen PEDOT:PSS-Filme wurden in dieser Arbeit verwendet, so dass in [30] der pn-Heteroübergang gebildet wurde, während in dieser Arbeit ein Schottky-Übergang gebildet wurde [30]. Abbildung 1a zeigt das schematische Diagramm des hybriden PEDOT:PSS/β-Ga₂ O₃ Schottky Diode. Das β-Ga₂ O₃ Flocken wurden in Aceton, Ethanol und entionisiertem Wasser unter Ultraschallbewegung gereinigt und dann in HF getaucht:H₂ O (1:10)-Lösung zur Entfernung von Oberflächenoxiden. Dann wurde die Abscheidung eines Ti/Au(20 nm/100 nm)-Metallstapels auf der gesamten Rückseite und die schnelle thermische Verarbeitung bei 470 °C unter N2 durchgeführt Atmosphäre wurde 60 s lang durchgeführt, um den ohmschen Kontaktwiderstand zu verringern. Nach Schleuderbeschichtung auf die Oberfläche von β-Ga₂ O₃ Flocken dreimal wurde PEDOT:PSS auf einer elektrischen Heizplatte bei 150 °C gebacken und die Backdauer betrug 15 min. Anschließend wurden isolierte Geräte mit einer Fläche von 1 mm × 2 mm erhalten. Aus dem HRTEM-Bild von Abb. 1b können wir erkennen, dass die Atome regelmäßig angeordnet sind und wenige Fehlausrichtungen der Atomsäulen vorhanden sind, was auf eine hohe Kristallqualität von β-Ga₂ . hinweist O₃ Flocke. Wie in Fig. 1c, d gezeigt, beträgt die FWHM von HRXRD etwa 35,3 Bogensekunden, und der quadratische Mittelwert (RMS) wird auf 0,19 nm geschätzt, was die überlegene Kristallqualität und die glatte Oberfläche veranschaulicht.

Schematische Darstellung des hybriden PEDOT:PSS/β-Ga₂ O₃ Schottky-Diode (a ), HRTEM-Bild (b ), HRXRD Rocking Curve der (400) Ebene (c ), AFM-Bild von β-Ga₂ O₃ Flocken aus β-Ga₂ O₃ Substrat durch mechanisches Peeling mit hoher Kristallqualität und glatter Oberfläche (d )

Ergebnis und Diskussion

I–V-Eigenschaften und Barrierenhöhe

Wie in Abb. 2a dargestellt, sind die I-V-Kennlinien des Hybrids PEDOT:PSS/β-Ga₂ O₃ Schottky-Dioden wurden untersucht, wenn sich die Temperatur von 298 K auf 423 K ändert. Der Strom steigt monoton mit der Temperatur an und die semilogarithmischen I-V-Kurven zeigen das lineare Verhalten bei einer Vorwärtsspannung von weniger als 1,5 V Spannung steigt weiter an, die Steigung der halblogarithmischen I–V-Kurven nimmt allmählich ab und der Durchlassstrom nähert sich 6 ~ 8 × 10 ^–4 A, was darauf hinweist, dass der Serienwiderstand eine Abweichung der I-V-Kurve von der Linearität verursacht. Außerdem beträgt der Rückwärtsleckstrom weniger als 10 ^–9 A bei – 3 V und das I _an /Ich _aus Das Verhältnis beträgt bis zu 10 ⁶ bei Raumtemperatur, was ein gleichrichtendes Verhalten wie bei anorganischem β-Ga₂ . veranschaulicht O₃ Schottky-Dioden [11,12,13,14,15].

Temperaturabhängige I–V-Charakteristik von PEDOT:PSS/β-Ga₂ O₃ SBDs von 298 bis 423 K (a ) und Schottky-Barrierehöhe ϕ _b und Idealitätsfaktor n von Hybrid-β-Ga₂ O₃ SBD (b )

Nach der Gleichung \( I={I}_s\left\{\exp \left[\frac{q\left(V-{IR}_s\right)}{nkT}\right]-1\right\} \) wobei V ist die Vorspannung, T und k sind die absolute Temperatur bzw. die Boltzmann-Konstante. Der Idealitätsfaktor n und der umgekehrte Sättigungsstrom I _s kann aus dem y . extrahiert werden -Achsenabschnitte und die Steigungen der linearen Extrapolation der semilogarithmischen I–V-Kurven bei verschiedenen Temperaturen. Obwohl der Idealitätsfaktor n der idealen Schottky-Diode gleich 1 ist, ist sie im tatsächlichen Gerät immer bis zu einem gewissen Grad größer als 1. Die Abweichung des Modells der thermischen Emission (TE) wird viel größer als n steigt. Nach dem Ausdruck \( {\phi}_b=\frac{kT}{q}\ln \left[\frac{AA^{\ast }{T}^2}{I_s}\right]\) gilt:kann die Schottky-Barrierehöhe ϕ . erhalten _b bei unterschiedlichen Temperaturen, wie in Abb. 2b gezeigt. Der Temperaturanstieg verursacht ϕ _b von 0,71 eV auf 0,84, 0,87, 0,90, 0,93 und 0,96 eV erhöhen, während n von 4,27 auf 3,42, 3,35, 3,29, 3,06 und 2,86 zu verringern. Für n viel größer als 1, was auf andere Leitungsmechanismen wie Feldeffekt oder thermische Feldeffekt schließen lässt, die zum Stromtransport beitragen und zu dem Unterschied zwischen dem reinen TE-Modell und den I-V-Charakteristiken führen, der in den Wide-Bandgap-SBDs veranschaulicht wurde, einschließlich GaN und SiC [31,32,33,34].

Für ϕ _b und n temperaturabhängig sind, sollte die Inhomogenität der Barrierehöhe bei PEDOT:PSS und β-Ga₂ . berücksichtigt werden O₃ Schnittstelle. Unter Berücksichtigung der Gaußschen Verteilung der Barrierenhöhe kann die inhomogene Barrierenhöhe beschrieben werden als \( {\phi}_b=\overline{\phi_{b0}}\left(T=0\right)-\frac{q{\ sigma}_s^2}{2 kT} \) und die Variation von n mit T ist gegeben durch \( \left(\frac{1}{n}-1\right)={\rho}_2-\frac{q{\rho}_3}{2 kT}\), wobei \( \overline {\phi_{b0}} \) und σ _s sind die mittlere Barrierenhöhe bzw. die Standardabweichung ρ ₂ und ρ ₃ sind die temperaturabhängigen Spannungskoeffizienten, und die Spannungsverformung der Schottky-Barrieren-Höhenverteilung (SBH) wurde durch sie quantifiziert (Abb. 3a). \( \overline{\phi_{b0}} \) und σ _s kann aus dem Achsenabschnitt und der Steigung des ϕ . berechnet werden _b gegen q /2kT Kurve, etwa 1,57 eV bzw. 0,212 eV. Gleichzeitig ρ ₂ und ρ ₃ werden mit 0,4 eV und 0,02 eV aus dem Schnittpunkt und der Steigung des (1/n − 1) gegenüber q /2kT Handlung. Verglichen mit \(\overline{\phi_{b0}}\), σ _s ist nicht klein, was die Existenz einer Barriere-Inhomogenität bei PEDOT:PSS/β-Ga₂ . veranschaulicht O₃ Schnittstelle [35].

Die Variante des SBH ϕ _b und (n ⁻¹ − 1) mit q /2KT Kurven, \( \overline{\phi_{b0}} \) und σ _s erhältlich (a ), modifiziert \( \ln \left({I}_{\textrm{s}}/{T}^2\right)-\left({q}^2{\sigma}_{\textrm{s} }^2/2{k}^2{T}^2\right) \) gegen 1000/T Grundstück (b )

Unter Berücksichtigung der Barrierehöheninhomogenität ist die Beziehung zwischen dem umgekehrten Sättigungsstrom I _s und die mittlere Barrierenhöhe \( \overline{\phi_{b0}} \) kann modifiziert werden als \( \mathrm{In}\left(\frac{I_s}{T^2}\right)-\left(\ frac{q^2{\sigma_s}^2}{2{k}^2{T}^2}\right)=\mathrm{In}\left({AA}^{\ast}\right)-\ frac{q\overline{\phi_{b0}}}{kT}\). Aus Abb. 3b ist zu erkennen, dass die Auftragung des \(\ln\left({I}_{\mathrm{s}}/{T}^2\right)-\left({q}^2{ \sigma}_{\mathrm{s}}^2/2{k}^2{T}^2\right) \) versus 1/kT ist eine Gerade, aus der wir die effektive Richardson-Konstante A . extrahieren können ^* von 3,8 A cm ⁻² K ⁻² , eine Größenordnung kleiner als die theoretische Richardson-Konstante von 40,8 A cm ^–2 K ⁻² mit dem β-Ga₂ O₃ effektive Masse von m * =0,34 m₀ [36, 37]. Damit ist das temperaturabhängige ϕ _b und n , mit anderen Worten, die Gaußsche Verteilung der Barrieren über SBHs kann verwendet werden, um die Barriere-Inhomogenität am PEDOT:PSS/β-Ga₂ . zu erklären O₃ Schnittstelle.

Eigenschaften des UV-Fotodetektors

Wie oben beschrieben, ist das Hybrid β-Ga₂ O₃ Schottky-Diode weist gute Gleichrichtungseigenschaften auf; das Verhältnis von I _an /Ich _aus bis zu 10 ⁶ im dunklen Zustand bei Raumtemperatur. Der niedrigere Dunkelstrom I _dunkel von 9,4 nA@V _{Voreingenommenheit} =− 4 V kann aus Abb. 4a bestimmt werden, was auf eine geringere Rauschcharakteristik hinweist. Unter dem senkrechten Einfall einer Wellenlänge von 254 nm mit einer Photodichte von 150 μW/cm ² , der Photostrom I _Foto erreicht 112 nA@V _{Voreingenommenheit} =− 4 V. Außerdem zeigt der Photodetektor einen schwachen photovoltaischen Effekt mit einem Photostrom von 0,45 nA bei 0 V und einer Leerlaufspannung (V _oc ) von 0.15 V, viel weniger als 0.9 V in Lit. [38], was auf den Unterschied der Ladungsträgerdichte und die resultierende Variation des Fermi-Niveaus zurückgeführt werden kann. Abbildung 4b repräsentiert das lineare I _Foto gegen V _{Voreingenommenheit} an verschiedenen P _Licht . Das Gerät zeigt die Abhängigkeit von I _Foto auf dem P _Licht , und das Ich _Foto steigt nichtlinear mit dem P _Licht , mit anderen Worten, bei verschiedenen V _{Voreingenommenheit,} die Handlungen von I _Foto gegen P _Licht demonstrieren ein offensichtliches superlineares Verhalten, wie in Abb. 4c gezeigt. Um den Mechanismus des superlinearen Verhaltens zu verdeutlichen, zeigt Abb. 4e das Energiediagramm von PEDOT:PSS und β-Ga₂ O₃ vor Kontakt. Die Elektronenaffinität und die Bandlücke von β-Ga₂ O₃ sind 4,0 eV bzw. 4,9 eV. Das niedrigste unbesetzte Molekülorbital (LUMO) beträgt 3,3 eV und das höchste besetzte Molekülorbital von PEDOT:PSS beträgt 5,2 eV [39]. Als sie in Kontakt kamen, bildete sich eine Schottky-Barriere. Wenn das Gerät beleuchtet ist und die Sperrspannung an die Elektroden der Schottky-Dioden angelegt wird, werden die photogenerierten Elektron-Loch-Paare schnell durch das elektrische Feld getrennt und die Löcher wandern zur Anode, während die Elektronen zur Kathode wandern, wie in gezeigt Abb. 4f. Für das Vorhandensein von Fallen am PEDOT:PSS/β-Ga₂ O₃ Grenzfläche werden die Löcher an den Grenzflächenzuständen gefangen und erzeugen positive Nettoladungen, wodurch die effektive Höhe der Schottky-Barriere verringert wird, mehr Ladungsträger über den Schottky-Übergang fließen und das I . verbessert wird _Foto . Abbildung 4d zeigt die Kurven des Photo-to-Dunkel-Stromverhältnisses (PDCR) unter verschiedenen P _Licht . Wenn sich die Vorspannung von

Beziehung zwischen Photostrom I _Foto @150 μW/cm ² , Dunkelstrom I _dunkel , und Vorspannung V _{Voreingenommenheit} (a ), Plots von I _Foto gegen V _{Voreingenommenheit} unter verschiedenen P _Licht (b ), linear I _Foto als Funktion von P _Licht (c ), Kurven des Photo-zu-Dunkelstrom-Verhältnisses (PDCR) unter verschiedenen P _Licht (d ), Banddiagramm von PEDOT:PSS und β-Ga₂ O₃ vor Kontakt (e ), Banddiagramm von PEDOT:PSS und β-Ga₂ O₃ unter Sperrspannung nach dem Kontakt sind der Zustand ohne angelegte Spannung und der Zustand mit Sperrspannung durch die durchgezogene Linie bzw. die gestrichelte Linie dargestellt (f )

0 V bis -1,2 V, der PDCR steigt allmählich an und nimmt dann ab, wenn die Vorspannung negativer wird, der höhere PDCR über 20 wird bei V . erreicht _{Voreingenommenheit} von − 1,2 V und einem P _Licht von 150 μW/cm ² .

Die zeitabhängigen Photoreaktionseigenschaften von Hybrid-Photodetektoren werden untersucht, indem Rechtecklicht mit einer Periode von 10 s unter V . verwendet wird _{Voreingenommenheit} von − 1,2 V und einem P _Licht von 150 μW/cm ² . Nach mehreren Beleuchtungszyklen erreichen die Geräte den stabilen Ein-Zustand I _Foto zum angegebenen P _Licht und V _{Voreingenommenheit} , wie in Abb. 5a dargestellt. Die Anstiegs- und Abklingzeit beträgt 319 ms bzw. 270 ms [40, 41], viel kürzer als bei Geräten, die auf epitaktischem β-Ga₂ . hergestellt wurden O₃ Filme oder β-Ga₂ O₃ Flocken [35, 42, 43] aber länger als die Daten in [31]. Für die Existenz eines Doppelheteroübergangs in [31], PEDOTT:PSS/Ga₂ O₃ oberer Übergang und Ga₂ O₃ /p-Si-unterer Übergang, die photogenerierten Ladungsträger können durch die doppelten eingebauten elektrischen Felder effektiver getrennt werden als beim einzigen PEDOTT:PSS/Ga₂ O₃ Kreuzung in diesem Papier. Daher können durch die Defekte in [31] weniger Ladungsträger eingefangen werden, was zu kürzeren Anstiegs- und Abklingzeiten führt. Darüber hinaus kann das Überschwingungsmerkmal an den Formen der Photoreaktionskurven mit einem keilförmigen Kopf am unteren P . beobachtet werden _Licht von 150 μW/cm ² als das bei der P . vorgekommen ist _Licht von 600 μW/cm ² in [30] für die effektive Sammlung photogenerierter Ladungsträger unter der Sperrspannung von −1.2 V statt 0 V.

Mehrere Zyklen (a ) und Einzelzyklus (b ) von zeitabhängigem I _Foto des hybriden PEDOT:PSS/β-Ga₂ O₃ Schottky-Barriere-Photodetektor am V _{Voreingenommenheit} =− 1,2 V, Anstiegszeit und Abfallzeit werden mit 319 ms bzw. 270 ms bestimmt

Abbildung 6 zeigt die Empfindlichkeitseigenschaften gegenüber der optischen Beleuchtung λ unter dem V _{Voreingenommenheit} von − 1,2 V. Die maximale Ansprechempfindlichkeit R _max von 0,62 A/W wird bei einem λ . erreicht von 244 nm und die entsprechende externe Quanteneffizienz (EQE) von 3,16 × 10 ² % berechnet durch den Ausdruck EQE =hcR _max /(eλ ), viel höher als in [30, 38] für die effektive Sammlung photogenerierter Träger, wobei R _max ist die Spitzenempfindlichkeit und h ist die Plank-Konstante. e und λ sind die Elektronenladung bzw. die Beleuchtungswellenlänge. Da die Wellenlänge länger als 290 nm ist, ist die Lichtempfindlichkeit niedriger als 1 × 10 ^–3 , was eine viel bessere spektrale Selektivität im Hybrid β-Ga₂ . veranschaulicht O₃ Geräte. Gleichzeitig ist die Ablehnungsquote von R _{254 nm} /R _{400 nm} bestimmt 1,26 × 10 ³ . Verglichen mit dem berichteten anorganischen Ga₂ O₃ Photodetektor [43,44,45,46,47,48,49] besitzt das Hybridgerät eine höhere Photoempfindlichkeit, schnellere Reaktionsgeschwindigkeit und ein größeres UV/Vis-Unterdrückungsverhältnis, was auf vielversprechende Solar-Blind-Photodetektoren mit hoher Leistung hinweist.

Empfindlichkeit gegenüber Wellenlängen für PEDOT:PSS/Ga₂ O₃ Hybrid-Fotodetektoren bei V _{Voreingenommenheit} =-1,2 V

Schlussfolgerungen

Wir haben PEDOT:PSS/β-Ga₂ . hergestellt O₃ Hybrid-Schottky-Diode. Die Höhe der Schottky-Barriere ϕ _b und Idealitätsfaktor n sind temperaturabhängig, was darauf hinweist, dass die Höhe der Schottky-Barriere bei PEDOT:PSS/β-Ga₂ . inhomogen war O₃ Schnittstelle. Die mittlere Barrierenhöhe und Standardabweichung können basierend auf dem Gaußschen Barrierenhöhenverteilungsmodell mit 1,57 eV bzw. 0,212 eV bewertet werden. Darüber hinaus sind die Eigenschaften von PEDOT:PSS/β-Ga₂ O₃ DUV-Schottky-Barriere-Photodetektoren wurden ebenfalls untersucht. Eine höhere Ansprechempfindlichkeit von 0,6 A/W, Zurückweisungsrate von R _{254 nm} /R _{400 nm} =1,26 × 10 ³ , EQE von 3,16 × 10 ⁴ % und eine schnellere Reaktionsgeschwindigkeit von weniger als 320 ms werden erreicht, was darauf hindeutet, dass die Hybrid-Schottky-Dioden als optische DUV-Schalter oder Fotodetektoren verwendet werden können.

Verfügbarkeit von Daten und Materialien

Alle Daten sind bei den Autoren auf begründete Anfrage erhältlich.

Abkürzungen

AFM:

Rasterkraftmikroskop

DUV:

Tiefes Ultraviolett

EQE:

Externe Quanteneffizienz

FWHM:

Halbes Maximum in voller Breite

HRTEM:

Hochauflösende Transmissionselektronenmikroskopie

LUMO:

Niedrigstes unbesetztes Molekülorbital

PDCR:

Foto-zu-Dunkelstrom-Verhältnis

RMS:

Quadratischer Mittelwert

SBDs:

Schottky-Dioden

TE:

Thermische Emission