L'enquête sur les photodétecteurs hybrides PEDOT:PSS/β-Ga2O3 à ultraviolets profonds Schottky Barrier

Introduction

De nombreux groupes de recherche ont accordé beaucoup d'attention à un nouveau semi-conducteur à bande interdite ultralarge de β-Ga₂ O₃ en tant que matériau potentiel pour les photodétecteurs ultraviolets profonds (DUV) [1,2,3,4,5,6,7], les dispositifs haute tension et haute puissance pour sa large bande interdite (4,8 à 4,9 eV), son champ électrique à claquage élevé (8 MV/cm) et stabilité chimique [8,9,10,11]. De plus, il est simple de cliver β-Ga₂ O₃ en nano-membranes ou en ceintures minces [12, 13] pour sa propriété unique de la grande constante de réseau le long de la direction [100]. Divers métaux, tels que Cu [14], Pd [15], Pt [11, 16,17, 18,19], Au [15, 20], Ni [16, 21,22,23] et TiN [18], ont été utilisés pour étudier les caractéristiques électriques du β-Ga₂ O₃ Diodes à barrière Schottky (SBD). Cependant, les diodes Schottky fabriquées avec du polymère et les caractéristiques électriques n'ont pas encore été rapportées. Parmi tous les matériaux organiques, PEDOT:PSS est l'un des polymères transparents conducteurs de trous, dont la conductivité est jusqu'à 500 S/cm et la fonction de sortie est jusqu'à 5,0 ~ 5,3 eV, proche de Au et Ni [23,24,25 ]. De plus, le film PEDOT:PSS ne peut être formé que par revêtement par centrifugation sur le substrat et cuisson ultérieure à l'air. Il existe quelques recherches concernant le contact Schottky transparent de PEDOT:PSS sur un substrat monocristallin de ZnO et une épicouche de GaN, présentant de bonnes propriétés de redressement et des caractéristiques photoélectriques ou photovoltaïques [26,27,28,29].

Dans ce travail, la diode Schottky hybride a été fabriquée avec du polymère PEDOT:PSS et le β-Ga₂ exfolié mécaniquement O₃ flocons du β-Ga₂ de haute qualité O₃ substrat. Les caractéristiques électriques des diodes ont été étudiées dans la plage de température comprise entre 298 K et 423 K. De plus, les mesures I-V sous éclairage UV ont été effectuées, la sensibilité a été mesurée et le comportement transitoire du photocourant a également été analysé.

Méthodes expérimentales

Le -Ga₂ O₃ des flocons d'une épaisseur de 15 à 25 m ont été exfoliés mécaniquement à partir du (100) β-Ga₂ O₃ substrat avec une concentration électronique de 7 × 10 ¹⁶ cm ⁻³ . Car la densité électronique est de 2 à 3 ordres de grandeur plus élevée que celle du Ga₂ dopé involontairement O₃ une épicouche déposée sur un substrat de saphir dans [30] et les films hautement conducteurs PEDOT:PSS ont été utilisés dans cet article, de sorte que l'hétérojonction pn a été formée dans [30] tandis que la jonction Schottky a été formée dans cet article [30]. La figure 1a montre le schéma de principe de l'hybride PEDOT:PSS/β-Ga₂ O₃ Diode Schottky. Le -Ga₂ O₃ les flocons ont été nettoyés dans de l'acétone, de l'éthanol et de l'eau déminéralisée avec agitation aux ultrasons, puis immergés dans le HF :H₂ O (1:10) solution pour éliminer les oxydes de surface. Ensuite, le dépôt de l'empilement métallique Ti/Au (20 nm/100 nm) a été réalisé sur toute la face arrière, et le traitement thermique rapide à 470 °C sous N₂ atmosphère a été menée pendant 60 s pour diminuer la résistance de contact ohmique. Après spin enduit sur la surface de β-Ga₂ O₃ flocon trois fois, PEDOT:PSS a été cuit sur une plaque chauffante électrique à 150 ° C, et la durée de cuisson était de 15 min. Par la suite, des dispositifs isolés d'une surface de 1 mm × 2 mm ont été obtenus. À partir de l'image HRTEM de la figure 1b, nous pouvons observer que les atomes sont régulièrement disposés et que peu de désalignements de colonnes atomiques sont présents, indiquant une haute qualité cristalline du -Ga₂ O₃ flocon. Comme le montrent les figures 1c, d, la FWHM de HRXRD est d'environ 35,3 secondes d'arc, et la moyenne quadratique (RMS) est estimée à 0,19 nm, illustrant la qualité cristalline supérieure et la surface lisse.

Schéma de principe de l'hybride PEDOT:PSS/β-Ga₂ O₃ Diode Schottky (a ), image HRTEM (b ), courbe de bascule HRXRD du plan (400) (c ), image AFM de β-Ga₂ O₃ flocon obtenu à partir de β-Ga₂ O₃ substrat par exfoliation mécanique, montrant une haute qualité cristalline et une surface lisse (d )

Résultat et discussion

Caractéristiques I–V et hauteur de la barrière

Comme présenté dans la Fig. 2a, les caractéristiques I–V de l'hybride PEDOT:PSS/β-Ga₂ O₃ Les diodes à barrière Schottky ont été étudiées lorsque la température passe de 298 K à 423 K. Le courant augmente de manière monotone avec la température et les courbes semi-log I-V montrent le comportement linéaire comme la polarisation de la tension directe inférieure à 1,5 V. Comme la polarisation directe la tension augmente encore, la pente des courbes semi-log I-V diminue progressivement et le courant direct approche 6 ~ 8 × 10 ⁻⁴ A, indiquant que la résistance série fait que la courbe I-V s'écarte de la linéarité. De plus, le courant de fuite inverse est inférieur à 10 ⁻⁹ A à – 3 V, et le I _sur /Je _désactivé le rapport est jusqu'à 10 ⁶ à température ambiante, illustrant un comportement rectifiant aussi bon que le β-Ga₂ inorganique O₃ Diodes Schottky [11,12,13,14,15].

Caractéristiques I-V dépendantes de la température de PEDOT:PSS/β-Ga₂ O₃ SBD de 298 à 423 K (a ) et hauteur de barrière Schottky ϕ _b et facteur d'idéalité n d'hybride β-Ga₂ O₃ SBD (b )

D'après l'équation \( I={I}_s\left\{\exp \left[\frac{q\left(V-{IR}_s\right)}{nkT}\right]-1\right\} \) où V est la tension de polarisation, T et k sont respectivement la température absolue et la constante de Boltzmann. Le facteur d'idéalité n et le courant de saturation inverse I _s peut être extrait du y -axes interceptés et les pentes de l'extrapolation linéaire des courbes semi-log I–V à différentes températures. Bien que le facteur d'idéalité n de la diode Schottky idéale est égale à 1, elle est toujours supérieure à 1 dans une certaine mesure dans le dispositif réel. L'écart du modèle d'émission thermique (TE) devient d'autant plus grand que n augmente. D'après l'expression \( {\phi}_b=\frac{kT}{q}\ln \left[\frac{AA^{\ast }{T}^2}{I_s}\right] \), on peut obtenir la hauteur de barrière Schottky ϕ _b à différentes températures, comme le montre la figure 2b. L'augmentation de la température provoque ϕ _b passer de 0,71 eV à 0,84, 0,87, 0,90, 0,93 et ​​0,96 eV tandis que n passer de 4,27 à 3,42, 3,35, 3,29, 3,06 et 2,86. Pour n beaucoup plus grand que 1, suggérant d'autres mécanismes conducteurs, tels que l'effet de champ ou l'effet de champ thermique, contribuant au transport du courant et entraînant la différence entre le modèle TE pur et les caractéristiques I-V, qui a été illustré dans les SBD à large bande interdite, y compris GaN et SiC [31,32,33,34].

Pour ϕ _b et n dépendent de la température, l'inhomogénéité de la hauteur de la barrière doit être considérée à PEDOT:PSS et β-Ga₂ O₃ interface. Compte tenu de la distribution gaussienne de la hauteur de barrière, la hauteur de barrière inhomogène peut être décrite comme \( {\phi}_b=\overline{\phi_{b0}}\left(T=0\right)-\frac{q{\ sigma}_s^2}{2 kT} \) et la variation de n avec T est donné par \( \left(\frac{1}{n}-1\right)={\rho}_2-\frac{q{\rho}_3}{2 kT} \), où \( \overline {\phi_{b0}} \) et σ _s sont la hauteur moyenne de la barrière et l'écart type, respectivement, ρ ₂ et ρ ₃ sont les coefficients de tension dépendant de la température, et la déformation de tension de la distribution de la hauteur de barrière Schottky (SBH) a été quantifiée par eux (Fig. 3a). \( \overline{\phi_{b0}} \) et σ _s peut être calculé à partir de l'interception et de la pente du ϕ _b contre q /2kT courbe, environ 1,57 eV et 0,212 eV, respectivement. En même temps, ρ ₂ et ρ ₃ sont évalués à 0,4 eV et 0,02 eV à partir de l'intersection et de la pente du (1/n − 1) contre q /2kT parcelle. Par rapport à \( \overline{\phi_{b0}} \), σ _s n'est pas petit, illustrant l'existence d'une inhomogénéité de barrière à PEDOT:PSS/β-Ga₂ O₃ interface [35].

La variation du SBH ϕ _b et (n ⁻¹ − 1) avec q /2KT courbes, \( \overline{\phi_{b0}} \) et σ _s peut être obtenu (a ), modifié \( \ln \left({I}_{\mathrm{s}}/{T}^2\right)-\left({q}^2{\sigma}_{\mathrm{s} }^2/2{k}^2{T}^2\right) \) contre 1000/T tracé (b )

En considérant l'inhomogénéité de la hauteur de barrière, la relation entre le courant de saturation inverse I _s et la hauteur moyenne de la barrière \( \overline{\phi_{b0}} \)peut être modifiée comme \( \mathrm{In}\left(\frac{I_s}{T^2}\right)-\left(\ frac{q^2{\sigma_s}^2}{2{k}^2{T}^2}\right)=\mathrm{In}\left({AA}^{\ast}\right)-\ frac{q\overline{\phi_{b0}}}{kT} \). On peut discerner à partir de la figure 3b que le tracé du \( \ln \left({I}_{\mathrm{s}}/{T}^2\right)-\left({q}^2{ \sigma}_{\mathrm{s}}^2/2{k}^2{T}^2\right) \) contre 1/kT est une droite, à partir de laquelle on peut extraire la constante de Richardson effective A ^* de 3,8 A cm ⁻² K ⁻² , un ordre de grandeur plus petit que la constante de Richardson théorique de 40,8 A cm ⁻² K ⁻² avec le -Ga₂ O₃ masse effective de m * =0,34 m₀ [36, 37]. Ainsi, le ϕ dépendant de la température _b et n , en d'autres termes, la distribution gaussienne des barrières sur les SBH peut être utilisée pour expliquer l'inhomogénéité des barrières au PEDOT:PSS/β-Ga₂ O₃ interface.

Caractéristiques du photodétecteur UV

Comme décrit ci-dessus, l'hybride β-Ga₂ O₃ La diode Schottky présente de bonnes caractéristiques de redressement ; le rapport de I _sur /Je _désactivé jusqu'à 10 ⁶ à l'état sombre à température ambiante. Le courant d'obscurité inférieur I _sombre de 9,4 nA@V _biais =− 4 V peut être déterminé à partir de la Fig. 4a, indiquant une caractéristique de bruit plus faible. Sous l'incidence normale de la longueur d'onde de 254 nm avec une photodensité de 150 μW/cm ² , le photocourant I _photo atteint 112 nA@V _biais =− 4 V. De plus, le photodétecteur montre un effet photovoltaïque faible avec un photocourant de 0,45 nA à 0 V et une tension à vide (V _oc ) de 0,15 V, bien inférieur à 0,9 V dans la référence [38], ce qui peut être attribué à la différence de densité de porteurs et à la variation du niveau de Fermi qui en résulte. La figure 4b représente le I linéaire _photo contre V _biais à divers P _lumière . L'appareil montre la dépendance de I _photo sur le P _lumière , et le Je _photo augmente de manière non linéaire avec le P _lumière , en d'autres termes, à différents V _biais, les parcelles de I _photo contre P _lumière démontrent un comportement superlinéaire évident, comme le montre la figure 4c. Afin d'élucider le mécanisme du comportement superlinéaire, la Fig. 4e présente le diagramme énergétique du PEDOT:PSS et β-Ga₂ O₃ avant contact. L'affinité électronique et la bande interdite de β-Ga₂ O₃ sont respectivement de 4,0 eV et 4,9 eV. L'orbitale moléculaire inoccupée la plus basse (LUMO) est de 3,3 eV et l'orbitale moléculaire occupée la plus élevée de PEDOT:PSS est de 5,2 eV [39]. Lorsqu'ils sont entrés en contact, une barrière Schottky s'est formée. Lorsque l'appareil est illuminé et que la polarisation inverse est appliquée aux électrodes des diodes Schottky, les paires électron-trou photo-générées sont séparées rapidement par le champ électrique et les trous dérivent vers l'anode tandis que les électrons vers la cathode, comme indiqué dans 4f. Pour la présence de pièges au PEDOT :PSS/β-Ga₂ O₃ interface, les trous sont piégés aux états de l'interface et produisent des charges positives nettes, réduisant la hauteur effective de la barrière Schottky, davantage de porteurs traversant la jonction Schottky et améliorant le I _photo . La figure 4d présente les courbes du rapport photo/courant d'obscurité (PDCR) sous différents P _lumière . Au fur et à mesure que la polarisation de tension passe de

Relation entre le photocourant I _photo @150 μW/cm ² , courant d'obscurité I _sombre , et tension de polarisation V _biais (un ), parcelles de I _photo contre V _biais sous différents P _lumière (b ), linéaire I _photo en fonction de P _lumière (c ), courbes du rapport photo/courant d'obscurité (PDCR) sous différents P _lumière (d ), diagramme de bande de PEDOT:PSS et β-Ga₂ O₃ avant contact (e ), diagramme de bande de PEDOT:PSS et β-Ga₂ O₃ sous la polarisation inverse après contact, la condition sans tension appliquée et la condition avec polarisation inverse sont représentées respectivement par la ligne continue et la ligne pointillée (f )

0V à - 1,2V, le PDCR augmente progressivement puis diminue avec la polarisation de tension devenant plus négative, le PDCR supérieur au-dessus de 20 est atteint à un V _biais de − 1,2 V et un P _lumière de 150 μW/cm ² .

Les caractéristiques de photoréponse dépendantes du temps du photodétecteur hybride sont étudiées en utilisant une lumière à onde carrée avec une période de 10 s sous le V _biais de − 1,2 V et un P _lumière de 150 μW/cm ² . Après plusieurs cycles d'éclairage, les appareils atteignent l'état allumé stable I _photo au P donné _lumière et V _biais , comme représenté sur la figure 5a. Le temps de montée et le temps de décroissance sont respectivement de 319 ms et 270 ms [40, 41], bien inférieurs à ceux des dispositifs fabriqués sur épitaxie β-Ga₂ O₃ films ou β-Ga₂ O₃ flocons [35, 42, 43] mais plus longs que les données de [31]. Pour l'existence de double hétérojonction dans [31], PEDOTT:PSS/Ga₂ O₃ jonction supérieure et Ga₂ O₃ /p-Si jonction inférieure, les porteurs photogénérés peuvent être séparés plus efficacement par les doubles champs électriques intégrés que le seul PEDOTT:PSS/Ga₂ O₃ jonction dans cet article. Par conséquent, moins de porteurs peuvent être capturés par les défauts dans [31], ce qui entraîne un temps de montée et un temps de décroissance plus courts. De plus, la fonction de dépassement peut être observée à partir des formes des courbes de photoréponse avec une tête en coin au P inférieur _lumière de 150 μW/cm ² que ce qui s'est produit au P _lumière de 600 μW/cm ² dans [30] pour la collecte efficace des porteurs photogénérés sous la polarisation inverse de − 1,2 V au lieu de 0 V.

Multicycles (a ) et cycle unique (b ) de I dépendant du temps _photo de l'hybride PEDOT:PSS/β-Ga₂ O₃ Photodétecteur à barrière Schottky au V _biais =− 1,2 V, le temps de montée et le temps de décroissance sont déterminés à 319 ms et 270 ms, respectivement

La figure 6 illustre les caractéristiques de réactivité par rapport à l'éclairage optique λ sous le V _biais de − 1,2 V. La réactivité maximale R _max de 0,62 A/W est atteint à un λ de 244 nm et l'efficacité quantique externe correspondante (EQE) de 3,16 × 10 ² % calculé par l'expression EQE =hcR _max /(eλ ), bien supérieur à celui obtenu dans [30, 38] pour la collecte effective de porteurs photogénérés, où R _max est le pic de réactivité, et h est la constante de Plank. e et λ sont respectivement la charge électronique et la longueur d'onde d'éclairage. Comme la longueur d'onde est supérieure à 290 nm, la photoréactivité est inférieure à 1 × 10 ⁻³ , illustrant une bien meilleure sélectivité spectrale dans l'hybride β-Ga₂ O₃ dispositifs. Dans le même temps, le taux de rejet de R _254 nm /R _{400 nm} est déterminé à 1,26 × 10 ³ . Par rapport au Ga₂ inorganique rapporté O₃ photodétecteur [43,44,45,46,47,48,49], le dispositif hybride possède une photoréactivité plus élevée, une vitesse de réponse plus rapide et un rapport de rejet UV/visible plus important, ce qui implique des photodétecteurs aveugles solaires prometteurs à hautes performances.

Réactivité versus longueurs d'onde pour le PEDOT:PSS/Ga₂ O₃ photodétecteurs hybrides à V _biais =-1,2 V

Conclusions

Nous avons fabriqué PEDOT:PSS/β-Ga₂ O₃ diode à barrière hybride Schottky. La hauteur de la barrière Schottky ϕ _b et facteur d'idéalité n sont dépendants de la température, indiquant que la hauteur de la barrière Schottky était inhomogène à PEDOT:PSS/β-Ga₂ O₃ interface. La hauteur de barrière moyenne et l'écart type peuvent être évalués à 1,57 eV et 0,212 eV, respectivement, sur la base du modèle de distribution de hauteur de barrière gaussien. De plus, les caractéristiques de PEDOT:PSS/β-Ga₂ O₃ Les photodétecteurs à barrière DUV Schottky ont également été étudiés. Une réactivité plus élevée de 0,6 A/W, un taux de rejet de R _254 nm /R _{400 nm} =1,26 × 10 ³ , EEQ de 3,16 × 10 ⁴ % et une vitesse de réponse plus rapide de moins de 320 ms sont atteints, ce qui suggère que les diodes hybrides Schottky peuvent être utilisées comme commutateurs optiques DUV ou photodétecteurs.

Disponibilité des données et des matériaux

Toutes les données sont disponibles auprès des auteurs via une demande raisonnable.

Abréviations

AFM :

Microscope à force atomique

DUV :

Ultraviolet profond

EQE :

Efficacité quantique externe

FWHM :

Pleine largeur moitié maximum

HRTEM :

Microscopie électronique à transmission haute résolution

LUMO :

Orbitale moléculaire inoccupée la plus basse

PDCR :

Rapport photo/courant d'obscurité

RMS :

Racine quadratique moyenne

SMD :

Diodes à barrière Schottky

TE :

Émission thermique