Hybride PEDOT:PSS/β-Ga2O3 Tieftiefultraviolett-Schottky-Photodetektoren: Temperaturabhängige Leistungsanalyse

Zusammenfassung

In dieser Arbeit wurden hybride β-Ga2O3-Schottky-Dioden mit PEDOT:PSS als Anode gefertigt. Die elektrischen Eigenschaften wurden untersucht, wenn die Temperatur von 298 K auf 423 K ansteigt. Die Barrierehöhe φb nimmt zu, und der Idealitätsfaktor n nimmt ab, was auf die Anwesenheit von Barrierehöhen-Inhomogenität an der Polymer/β-Ga2O3-Grenzfläche hinweist. Die mittlere Barrierehöhe und die Standardabweichung betragen 1,57 eV bzw. 0,212 eV, unter Berücksichtigung des Gaußschen Barrierehöhenverteilungsmodells. Darüber hinaus werden eine relativ schnelle Ansprechzeit von weniger als 320 ms, eine hohe Responsivität von 0,6 A/W und ein Unterdrückungsverhältnis von R254 nm/R400 nm bis zu 1,26 × 103 erzielt, was suggeriert, dass die hybriden PEDOT:PSS/β-Ga2O3-Schottky-Barriere-Dioden als tieftiefultraviolette (DUV) optische Schalter oder Photodetektoren verwendet werden können.

Einleitung

Viele Forschungsgruppen haben viel Aufmerksamkeit einem neuen ultrawide-Bandlücken-Halbleiter β-Ga2O3 als potenzielles Material für tieftiefultraviolette (DUV) Photodetektoren [1,2,3,4,5,6,7], Hochspannungs- und Hochleistungsgeräte gewidmet, aufgrund seiner breiten Bandlücke (4,8–4,9 eV), hohen Durchbruchsfeldstärke (8 MV/cm) und chemischen Stabilität [8,9,10,11]. Zusätzlich ist es einfach, β-Ga2O3 in Nano-Membranen oder dünne Bänder zu spalten [12, 13] aufgrund seiner einzigartigen Eigenschaft der großen Gitterkonstante 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-Ga2O3-Schottky-Barriere-Dioden (SBD) zu untersuchen. Allerdings wurden die mit Polymer gefertigten Schottky-Dioden und ihre elektrischen Eigenschaften noch nicht berichtet. Unter allen organischen Materialien ist PEDOT:PSS eines der transparenten Loch-leitenden Polymere, dessen Leitfähigkeit bis zu 500 S/cm und Arbeitfunktion bis zu 5,0 ~ 5,3 eV beträgt, nahe an Au und Ni [23,24,25]. Darüber hinaus kann der PEDOT:PSS-Film nur durch Spin-Coating auf das Substrat und anschließendes Backen in Luft gebildet werden. Es gibt einige Untersuchungen bezüglich des transparenten Schottky-Kontakts von PEDOT:PSS auf ZnO-Einkristallsubstrat und GaN-Epitaxieschicht, die gute gleichrichtende Eigenschaften und photoelektrische oder photovoltaische Charakteristiken aufweisen [26,27,28,29].

In dieser Arbeit wurde die hybride Schottky-Diode mit PEDOT:PSS-Polymer und mechanisch exfoliierten β-Ga2O3-Flocken vom hochwertigen β-Ga2O3-Substrat gefertigt. Die elektrischen Eigenschaften der Dioden wurden im Temperaturbereich zwischen 298 K und 423 K untersucht. Darüber hinaus wurden I-V-Messungen unter UV-Beleuchtung durchgeführt, die Responsivität gemessen und das transiente Verhalten des Photostroms analysiert.

Experimentelle Methoden

β-Ga2O3-Flocken mit Dicken von 15–25 μm wurden mechanisch vom (100) β-Ga2O3-Substrat mit einer Elektronenkonzentration von 7 × 1016 cm−3 exfoliiert. Da die Elektronendichte 2–3 Größenordnungen höher ist als die in unabsichtlich dotiertem Ga2O3-Epitaxieschicht auf Saphirsubstrat in [30] und hochleitfähige PEDOT:PSS-Filme in dieser Arbeit verwendet wurden, wurde in [30] ein pn-Heteroübergang gebildet, während in dieser Arbeit ein Schottky-Übergang gebildet wurde [30]. Abbildung 1a zeigt das schematische Diagramm der hybriden PEDOT:PSS/β-Ga2O3-Schottky-Diode. Die β-Ga2O3-Flocken wurden in Aceton, Ethanol und deionisiertem Wasser mit Ultraschallagitation gereinigt und dann in HF:H2O (1:10) Lösung getaucht, um Oberflächenoxide zu entfernen. Dann wurde die Abscheidung von Ti/Au (20 nm/100 nm) Metallstapel auf der gesamten Rückseite durchgeführt, und die schnelle thermische Verarbeitung bei 470 °C unter N2-Atmosphäre wurde 60 s durchgeführt, um den ohmschen Kontaktwiderstand zu verringern. Nach dreimaligem Spin-Coating auf die Oberfläche des β-Ga2O3-Flockens 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 beobachten, dass die Atome regelmäßig angeordnet sind und wenige atomare Fehlausrichtungen vorhanden sind, was eine hohe Kristallqualität des β-Ga2O3-Flockens anzeigt. Wie in Abb. 1c, d gezeigt, beträgt der FWHM der HRXRD etwa 35,3 Bogensekunden, und der quadratische Mittelwert (RMS) wird auf 0,19 nm geschätzt, was die überlegene Kristallqualität und glatte Oberfläche illustriert.

Ergebnisse und Diskussion

I-V-Charakteristiken und Barrierehöhe

Wie in Abb. 2a dargestellt, wurden die I-V-Charakteristiken der hybriden PEDOT:PSS/β-Ga2O3-Schottky-Barriere-Dioden untersucht, wenn die Temperatur von 298 K auf 423 K ansteigt. Der Strom nimmt monoton mit der Temperatur zu und die halb-logarithmischen I-V-Kurven zeigen lineares Verhalten, solange die Vorwärtsspannung unter 1,5 V liegt. Wenn die Vorwärtsspannung weiter ansteigt, verringert sich die Steigung der halb-logarithmischen I-V-Kurven allmählich, und der Vorwärtsstrom nähert sich 6 ~ 8 × 10−4 A, was anzeigt, dass der Serienwiderstand die I-V-Kurve von der Linearität abweichen lässt. Zusätzlich ist der umgekehrte Leckstrom kleiner als 10−9 A bei –3 V, und das Ion/Ioff-Verhältnis beträgt bis zu 106 bei Raumtemperatur, was ein gleichrichtendes Verhalten so gut wie anorganische β-Ga2O3-Schottky-Dioden [11,12,13,14,15] illustriert.

Gemäß der Gleichung I = Is{exp[q(V − IRs)/nkT] − 1}, wobei V die Vorspannung, T und k die absolute Temperatur und die Boltzmann-Konstante sind. Der Idealitätsfaktor n und der umgekehrte Sättigungsstrom Is können aus den y-Achsenabschnitten und den Steigungen der linearen Extrapolation der halb-logarithmischen I-V-Kurven bei verschiedenen Temperaturen extrahiert werden. Obwohl der Idealitätsfaktor n der idealen Schottky-Diode gleich 1 ist, ist er in tatsächlichen Geräten immer in gewissem Maße größer als 1. Die Abweichung vom thermischen Emissionsmodell (TE) wird viel größer, je mehr n zunimmt. Gemäß dem Ausdruck φb = (kT/q) ln[AA*T²/Is] können wir die Schottky-Barrierehöhe φb bei verschiedenen Temperaturen erhalten, wie in Abb. 2b gezeigt. Der Temperaturanstieg bewirkt, dass φb von 0,71 eV auf 0,84, 0,87, 0,90, 0,93 und 0,96 eV ansteigt, während n von 4,27 auf 3,42, 3,35, 3,29, 3,06 und 2,86 abnimmt. Für n viel größer als 1, was andere Leitmechanismen wie Feldeffekt oder thermischer Feldeffekt suggeriert, die zum Stromtransport beitragen und den Unterschied zwischen reinem TE-Modell und den I-V-Charakteristiken ergeben, was in wide-Bandlücken-SBDs einschließlich GaN und SiC illustriert wurde [31,32,33,34].

Da φb und n temperaturabhängig sind, sollte die Inhomogenität der Barrierehöhe an der PEDOT:PSS/β-Ga2O3-Grenzfläche berücksichtigt werden. Unter Berücksichtigung der Gaußschen Verteilung der Barrierehöhe kann die inhomogene Barrierehöhe als φb = φb0(T=0) − qσs²/2kT beschrieben werden, und die Variation von n mit T ist gegeben durch (1/n − 1) = ρ2 − qρ3/2kT, wobei φb0 und σs die mittlere Barrierehöhe und die Standardabweichung sind, ρ2 und ρ3 die temperaturabhängigen Spannungskoeffizienten sind, und die Spannungsverformung der Schottky-Barrierehöhen-(SBH-)Verteilung durch sie quantifiziert wurde (Abb. 3a). φb0 und σs können aus dem Achsenabschnitt und der Steigung der φb versus q/2kT Kurve berechnet werden, etwa 1,57 eV und 0,212 eV. Gleichzeitig werden ρ2 und ρ3 auf 0,4 eV und 0,02 eV aus dem Achsenabschnitt und der Steigung des (1/n − 1) versus q/2kT Plots evaluiert. Im Vergleich zu φb0 ist σs nicht klein, was die Existenz von Barriere-Inhomogenität an der PEDOT:PSS/β-Ga2O3-Grenzfläche illustriert [35].

Unter Berücksichtigung der Barrierehöhen-Inhomogenität kann die Beziehung zwischen dem umgekehrten Sättigungsstrom Is und der mittleren Barrierehöhe φb0 modifiziert werden als ln(Is/T²) − (q²σs²/2k²T²) = ln(AA*) − qφb0/kT. Aus Abb. 3b kann erkannt werden, dass der Plot von ln(Is/T²) − (q²σs²/2k²T²) versus 1/kT eine Gerade ist, aus der wir die effektive Richardson-Konstante A* von 3,8 A cm−2K−2 extrahieren können, eine Größenordnung kleiner als die theoretische Richardson-Konstante von 40,8 A cm−2K−2 mit der β-Ga2O3 effektiven Masse von m* = 0,34 m0 [36, 37]. Somit können die temperaturabhängigen φb und n, mit anderen Worten, die Gaußsche Verteilung der Barrieren über SBHs, verwendet werden, um die Barriere-Inhomogenität an der PEDOT:PSS/β-Ga2O3-Grenzfläche zu erklären.

Eigenschaften des UV-Photodetektors

Wie oben beschrieben, zeigt die hybride β-Ga2O3-Schottky-Diode gute gleichrichtende Charakteristiken; das Verhältnis von Ion/Ioff bis zu 106 im Dunkeln bei Raumtemperatur. Der niedrigere Dunkelstrom Idark von 9,4 nA@Vbias = −4 V kann aus Abb. 4a bestimmt werden, was eine geringere Rauscheigenschaft anzeigt. Unter Normal-Einfall von 254 nm Wellenlänge mit einer Photonendichte von 150 μW/cm² erreicht der Photostrom Iphoto 112 nA@Vbias = −4 V. Zusätzlich zeigt der Photodetektor einen schwachen photovoltaischen Effekt mit einem Photostrom von 0,45 nA bei 0 V und einer Leerlaufspannung (Voc) von 0,15 V, viel weniger als 0,9 V in Referenz [38], was auf den Trägerdichteunterschied und die resultierende Fermi-Niveau-Variation zurückgeführt werden kann. Abbildung 4b stellt die lineare Iphoto versus Vbias bei verschiedenen Plight dar. Das Gerät zeigt die Abhängigkeit von Iphoto von Plight, und Iphoto nimmt nicht-linear mit Plight zu, mit anderen Worten, bei verschiedenen Vbias demonstrieren die Plots von Iphoto versus Plight ein offensichtliches superlineares Verhalten, wie in Abb. 4c gezeigt. Um den Mechanismus des superlinearen Verhaltens zu elucidate, präsentiert Abb. 4e das Energiediagramm von PEDOT:PSS und β-Ga2O3 vor Kontakt. Die Elektronenaffinität und die Bandlücke von β-Ga2O3 betragen 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, wurde eine Schottky-Barriere gebildet. Wenn das Gerät beleuchtet wird und die umgekehrte Vorspannung an die Elektroden der Schottky-Dioden angelegt wird, werden die photogenerierten Elektron-Loch-Paare schnell durch das elektrische Feld getrennt, und die Löcher driften zur Anode, während die Elektronen zur Kathode driften, wie in Abb. 4f gezeigt. Aufgrund der Anwesenheit von Fallen an der PEDOT:PSS/β-Ga2O3-Grenzfläche werden die Löcher an den Grenzflächenzuständen gefangen und erzeugen netto positive Ladungen, was die effektive Schottky-Barrierehöhe verringert, mehr Träger über den Schottky-Übergang fließen lässt und Iphoto verbessert. Abbildung 4d präsentiert die Photo-zu-Dunkelstrom-Verhältnis (PDCR) Kurven unter verschiedenen Plight. Wenn die Vorspannung von 0 V auf −1,2 V verschiebt, steigt der PDCR allmählich an und nimmt dann mit negativerer Vorspannung ab, der höhere PDCR über 20 wird bei einer Vbias von −1,2 V und einer Plight von 150 μW/cm² erreicht.

Die zeitabhängigen Photoresponse-Eigenschaften des hybriden Photodetektors werden durch Verwendung von Rechteckwellenlicht mit einer Periode von 10 s unter Vbias von −1,2 V und einer Plight von 150 μW/cm² untersucht. Nach mehreren Beleuchtungszyklen erreichen die Geräte den stabilen Ein-Zustand Iphoto bei gegebener Plight und Vbias, wie in Abb. 5a dargestellt. Die Anstiegszeit und Abfallzeit betragen 319 ms bzw. 270 ms [40, 41], viel weniger als die von Geräten, die auf epitaktischen β-Ga2O3-Schichten oder β-Ga2O3-Flocken gefertigt wurden [35, 42, 43], aber länger als die Daten in [31]. Aufgrund der Existenz eines Doppel-Heteroübergangs in [31], PEDOT:PSS/Ga2O3 oberer Übergang und Ga2O3/p-Si unterer Übergang, können photogenerierte Träger effektiver durch die doppelten eingebauten elektrischen Felder getrennt werden als durch den einzigen PEDOT:PSS/Ga2O3-Übergang in dieser Arbeit. Daher können weniger Träger durch Defekte in [31] gefangen werden, was zu kürzeren Anstiegs- und Abfallzeiten führt. Darüber hinaus kann das Überschwingungsmerkmal aus den Formen der Photoresponse-Kurven mit einem keilförmigen Kopf bei der niedrigeren Plight von 150 μW/cm² beobachtet werden als das, das bei der Plight von 600 μW/cm² in [30] auftrat, für die effektive Sammlung photogenerierter Träger unter der umgekehrten Vorspannung von −1,2 V anstatt 0 V.

Abbildung 6 zeigt die Responsivitätscharakteristiken versus die Beleuchtungswellenlänge λ unter Vbias von −1,2 V. Die maximale Responsivität Rmax von 0,62 A/W wird bei einer λ von 244 nm erreicht und die entsprechende externe Quantenausbeute (EQE) von 3,16 × 102 %, berechnet durch den Ausdruck EQE = hcRmax/(eλ), viel höher als die in [30, 38] erhaltene für die effektive Sammlung photogenerierter Träger, wobei Rmax die Spitzenresponsivität ist, und h die Plancksche Konstante. e und λ sind die Elementarladung und die Beleuchtungswellenlänge. Wenn die Wellenlänge länger als 290 nm ist, ist die Photoresponsivität niedriger als 1 × 10−3, was eine viel bessere spektrale Selektivität in den hybriden β-Ga2O3-Geräten illustriert. Gleichzeitig wird das Unterdrückungsverhältnis von R254 nm/R400 nm auf 1,26 × 103 bestimmt. Im Vergleich zu den berichteten anorganischen Ga2O3-Photodetektoren [43,44,45,46,47,48,49] besitzt das hybride Gerät eine höhere Photoresponsivität, schnellere Ansprechgeschwindigkeit und größeres UV/visible-Unterdrückungsverhältnis, was vielversprechende solarblinde Photodetektoren mit hoher Leistung impliziert.

Schlussfolgerungen

Wir haben PEDOT:PSS/β-Ga2O3 hybride Schottky-Barriere-Dioden gefertigt. Die Schottky-Barrierehöhe φb und der Idealitätsfaktor n sind temperaturabhängig, was anzeigt, dass die Schottky-Barrierehöhe an der PEDOT:PSS/β-Ga2O3-Grenzfläche inhomogen war. Die mittlere Barrierehöhe und Standardabweichung können auf 1,57 eV bzw. 0,212 eV evaluiert werden, basierend auf dem Gaußschen Barrierehöhenverteilungsmodell. Darüber hinaus wurden die Eigenschaften der PEDOT:PSS/β-Ga2O3 DUV-Schottky-Barriere-Photodetektoren untersucht. Eine höhere Responsivität von 0,6 A/W, Unterdrückungsverhältnis von R254 nm/R400 nm = 1,26 × 103, EQE von 3,16 × 104 % und eine schnellere Ansprechgeschwindigkeit von weniger als 320 ms werden erreicht, was suggeriert, dass die hybriden Schottky-Barriere-Dioden als DUV-optische Schalter oder Photodetektoren verwendet werden können.