Photodétecteurs Schottky hybrides PEDOT:PSS/β-Ga₂O₃ profonds UV : analyse de performance dépendante de la température

Résumé

Dans cet article, les diodes Schottky hybrides β-Ga₂O₃ ont été fabriquées avec PEDOT:PSS comme anode. Les caractéristiques électriques ont été investiguées lorsque la température change de 298 K à 423 K. La hauteur de barrière φb augmente, et le facteur d'idéalité n diminue quand la température augmente, indiquant la présence d'inhomogénéité de hauteur de barrière entre l'interface polymère et β-Ga₂O₃. La hauteur de barrière moyenne et l'écart-type sont 1,57 eV et 0,212 eV respectivement, après prise en compte du modèle de distribution gaussienne de hauteur de barrière. De plus, une vitesse de réponse relativement rapide de moins de 320 ms, une responsivité élevée de 0,6 A/W, et un rapport de rejet de R₂₅₄ nm/R₄₀₀ nm jusqu'à 1,26 × 10³ sont obtenus, suggérant que les diodes barrière Schottky hybrides PEDOT:PSS/β-Ga₂O₃ peuvent être utilisées comme commutateurs optiques ou photodétecteurs profonds ultraviolets (DUV).

Introduction

De nombreux groupes de recherche ont porté beaucoup d'attention à un nouveau semi-conducteur à bande interdite ultra-large β-Ga₂O₃ comme matériau potentiel pour les photodétecteurs profonds ultraviolets (DUV), les dispositifs haute tension et haute puissance pour son large gap de bande (4,8–4,9 eV), son champ électrique de claquage élevé (8 MV/cm), et sa stabilité chimique. En plus, il est simple de cliver le β-Ga₂O₃ en nano-membranes ou ceintures minces pour sa propriété unique de la grande constante de maille le long de la direction [100]. Divers métaux, tels que Cu, Pd, Pt, Au, Ni, et TiN, ont été utilisés pour investiguer les caractéristiques électriques des diodes barrière Schottky (SBD) β-Ga₂O₃. Cependant, les diodes Schottky fabriquées avec certains polymères et les caractéristiques électriques n'ont pas été rapportées encore. Parmi tous les matériaux organiques, le PEDOT:PSS est un des polymères conducteurs de trous transparents, dont la conductivité est jusqu'à 500 S/cm et la fonction de travail est jusqu'à 5,0 ~ 5,3 eV, proche de l'Au et du Ni. De plus, le film PEDOT:PSS peut être formé seulement par essorage sur le substrat et cuisson subséquente dans l'air. Il y a quelques investigations en ce qui concerne le contact Schottky transparent de PEDOT:PSS sur substrat monocristallin ZnO et épicouche GaN, exhibant de bonnes propriétés redressantes et des caractéristiques photoélectriques ou photovoltaïques.

Dans ce travail, la diode Schottky hybride a été fabriquée avec le polymère PEDOT:PSS et les flocons β-Ga₂O₃ exfoliés mécaniquement du substrat β-Ga₂O₃ de haute qualité. Les caractéristiques électriques des diodes ont été investiguées dans la région de température entre 298 K et 423 K. De plus, les mesures I-V sous illumination UV ont été effectuées, la responsivité a été mesurée, et le comportement transitoire du photocourant a aussi été analysé.

Méthodes Expérimentales

Les flocons β-Ga₂O₃ avec des épaisseurs de 15–25 μm ont été exfoliés mécaniquement du substrat β-Ga₂O₃ (100) avec une concentration électronique de 7 × 10¹⁶ cm⁻³. Pour la densité électronique est 2–3 ordres de grandeur plus haute que celle dans l'épicouche Ga₂O₃ non intentionnellement dopée déposée sur substrat saphir dans [30] et les films PEDOT:PSS hautement conducteurs ont été utilisés dans cet article, donc la jonction pn hétérojonction a été formée dans [30] tandis que la jonction Schottky a été formée dans cet article. La Figure 1a montre le diagramme schématique de la diode Schottky hybride PEDOT:PSS/β-Ga₂O₃. Les flocons β-Ga₂O₃ ont été nettoyés dans l'acétone, l'éthanol, et l'eau déionisée avec agitation ultrasonique et puis immergés dans la solution HF:H₂O (1:10) pour éliminer les oxydes de surface. Ensuite, le dépôt de pile métallique Ti/Au (20 nm/100 nm) a été réalisé sur toute la face arrière, et le traitement thermique rapide à 470 °C sous atmosphère N₂ a été conduit pendant 60 s pour diminuer la résistance de contact ohmique. Après essorage sur la surface du flocon β-Ga₂O₃ pour trois fois, le 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 avec une surface de 1 mm × 2 mm ont été obtenus. De l'image HRMET de la Fig. 1b, nous pouvons observer que les atomes sont régulièrement arrangés et peu de désalignements de colonnes atomiques sont présents, indiquant une haute qualité cristalline du flocon β-Ga₂O₃. Comme montré en Fig. 1c, d, le FWHM de HRXRD est d'environ 35,3 arcsec, et la racine carrée moyenne (RMS) est estimée à 0,19 nm, illustrant la qualité cristalline supérieure et la surface lisse.

Résultats et Discussion

Caractéristiques I-V et Hauteur de Barrière

Comme présenté en Fig. 2a, les caractéristiques I-V des diodes barrière Schottky hybrides PEDOT:PSS/β-Ga₂O₃ ont été investiguées quand la température change de 298 K à 423 K. Le courant augmente monotoneusement avec la température et les courbes I-V semi-log montrent le comportement linéaire comme la tension de polarisation avant moins de 1,5 V. Comme la tension de polarisation avant augmente davantage, la pente des courbes I-V semi-log réduit graduellement, et le courant avant approche 6 ~ 8 × 10⁻⁴ A, indiquant que la résistance série cause la courbe I-V déviant de la linéarité. En plus, le courant de fuite inverse est moins de 10⁻⁹ A à −3 V, et le rapport Ion/Ioff est jusqu'à 10⁶ à température ambiante, illustrant un comportement redresseur aussi bon que les diodes Schottky β-Ga₂O₃ inorganiques.

Selon l'équation I = Is{exp[q(V - IRs)/nkT] - 1} où V est la tension de biais, T et k sont la température absolue et la constante de Boltzmann respectivement. Le facteur d'idéalité n et le courant de saturation inverse Is peuvent être extraits des interceptions d'axe y et des pentes de l'extrapolation linéaire des courbes I-V semi-log à différentes températures. Bien que le facteur d'idéalité n de la diode Schottky idéale soit égal à 1, il est toujours plus grand que 1 dans une certaine mesure dans le dispositif réel. La déviation du modèle d'émission thermique (TE) devient beaucoup plus grande comme n augmente. Selon l'expression φb = (kT/q)ln[AA*T²/Is], nous pouvons obtenir la hauteur de barrière Schottky φb à différentes températures, comme montré en Fig. 2b. L'augmentation de température cause φb à augmenter de 0,71 eV à 0,84, 0,87, 0,90, 0,93, et 0,96 eV tandis que n diminue 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 de conduction, tels que l'effet de champ ou l'effet thermique de champ, contribuant au transport de courant et résultant dans la différence entre le modèle TE pur et les caractéristiques I-V, ce qui a été illustré dans les SBD à large gap de bande, incluant GaN et SiC.

Pour φb et n sont dépendants de la température, l'inhomogénéité de hauteur de barrière devrait être considérée à l'interface PEDOT:PSS et β-Ga₂O₃. En considérant la distribution gaussienne de la hauteur de barrière, la hauteur de barrière inhomogène peut être décrite comme φb = φb₀(T=0) - qσs²/2kT et la variation de n avec T est donnée par (1/n - 1) = ρ₂ - qρ₃/2kT, où φb₀ et σs sont la hauteur de barrière moyenne et l'écart-type respectivement, ρ₂ et ρ₃ sont les coefficients de tension dépendants de la température, et la déformation de tension de la distribution de hauteur de barrière Schottky (SBH) a été quantifiée par eux (Fig. 3a). φb₀ et σs peuvent être calculés à partir de l'interception et de la pente de la courbe φb versus q/2kT, environ 1,57 eV et 0,212 eV respectivement. Au même moment, ρ₂ et ρ₃ sont évalués à 0,4 eV et 0,02 eV à partir de l'interception et de la pente du graphique (1/n - 1) versus q/2kT. Comparé à φb₀, σs n'est pas petit, illustrant l'existence d'inhomogénéité de barrière à l'interface PEDOT:PSS/β-Ga₂O₃.

En considérant l'inhomogénéité de hauteur de barrière, la relation entre le courant de saturation inverse Is et la hauteur de barrière moyenne φb₀ peut être modifiée comme ln(Is/T²) - (q²σs²/2k²T²) = ln(AA*) - qφb₀/kT. On peut discerner de la Fig. 3b que le graphique de ln(Is/T²) - (q²σs²/2k²T²) versus 1/kT est une ligne droite, à partir de laquelle nous pouvons 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 la masse effective β-Ga₂O₃ de m* = 0,34 m₀. Ainsi, la φb et n dépendantes de la température, en d'autres termes, la distribution gaussienne des barrières sur les SBH peut être utilisée pour expliquer l'inhomogénéité de barrière à l'interface PEDOT:PSS/β-Ga₂O₃.

Caractéristiques du Photodétecteur UV

Comme décrit ci-dessus, la diode Schottky hybride β-Ga₂O₃ exhibe de bonnes caractéristiques redressantes ; le rapport Ion/Ioff jusqu'à 10⁶ dans l'état obscur à température ambiante. Le courant obscur Idark plus bas de 9,4 nA@Vbias = −4 V peut être déterminé de la Fig. 4a, indiquant une caractéristique de bruit plus bas. Alors que sous l'incidence normale de longueur d'onde 254 nm avec la photodensité de 150 μW/cm², le photocourant Iphoto atteint 112 nA@Vbias = −4 V. En plus, le photodétecteur montre un effet photovoltaïque faible avec un photocourant de 0,45 nA à 0 V et une tension de circuit ouvert (Voc) de 0,15 V, beaucoup moins que 0,9 V dans la référence [38], ce qui peut être attribué à la différence de densité de porteurs et la variation de niveau de Fermi résultante. La Figure 4b représente le Iphoto linéaire versus Vbias à divers Plight. Le dispositif montre la dépendance de Iphoto sur le Plight, et le Iphoto augmente non-linéairement avec le Plight, en d'autres termes, à différents Vbias, les graphiques de Iphoto versus Plight démontrent un comportement superlinéaire évident, comme montré en Fig. 4c. Afin d'élucider le mécanisme du comportement superlinéaire, la Fig. 4e présente le diagramme d'énergie du PEDOT:PSS et β-Ga₂O₃ avant contact. L'affinité électronique et le gap de bande de β-Ga₂O₃ sont 4,0 eV et 4,9 eV respectivement. L'orbitale moléculaire la plus basse inoccupée (LUMO) est 3,3 eV, et l'orbitale moléculaire la plus haute occupée du PEDOT:PSS est 5,2 eV. Quand ils sont venus en contact, une barrière Schottky a été formée. Quand le dispositif est illuminé et la polarisation inverse est appliquée aux électrodes des diodes Schottky, les paires électron-trou photogénérées sont séparées rapidement par le champ électrique et les trous dérivent vers l'anode tandis que les électrons vers la cathode, comme montré en Fig. 4f. Pour la présence de pièges à l'interface PEDOT:PSS/β-Ga₂O₃, les trous sont piégés aux états d'interface et produisent des charges nettes positives, réduisant la hauteur de barrière Schottky effective, plus de porteurs traversant la jonction Schottky, et améliorant le Iphoto. La Figure 4d présente les courbes de rapport photocourant/courant obscur (PDCR) sous différents Plight. Comme la tension de biais déplace de 0V à −1,2V, le PDCR augmente graduellement et puis diminue avec la tension de biais devenant plus négative, le PDCR plus haut au-dessus de 20 est atteint à un Vbias de −1,2 V et un Plight de 150 μW/cm².

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 Vbias de −1,2 V et un Plight de 150 μW/cm². Après plusieurs cycles d'illumination, les dispositifs atteignent l'état on-state Iphoto stable au Plight et Vbias donnés, comme représenté en Fig. 5a. Le temps de montée et le temps de décroissance sont 319 ms et 270 ms respectivement, beaucoup moins que ceux des dispositifs fabriqués sur films épitaxiaux β-Ga₂O₃ ou flocons β-Ga₂O₃ mais plus longs que les données dans [31]. Pour l'existence de double hétérojonction dans [31], PEDOT:PSS/Ga₂O₃ jonction supérieure et Ga₂O₃/p-Si jonction inférieure, les porteurs photogénérés peuvent être séparés plus efficacement par les doubles champs électriques internes que la seule jonction PEDOT:PSS/Ga₂O₃ dans cet article. Par conséquent, moins de porteurs peuvent être capturés par les défauts dans [31], résultant dans le temps de montée et de décroissance plus courts. De plus, la caractéristique de dépassement peut être observée des formes de courbes de photoréponse avec une tête en coin au Plight plus bas de 150 μW/cm² que celui survenu au Plight de 600 μW/cm² dans [30] pour la collecte effective des porteurs photogénérés sous la polarisation inverse de −1,2 V plutôt que 0 V.

La Figure 6 dépeint les caractéristiques de responsivité versus l'illumination optique λ sous le Vbias de −1,2 V. La responsivité maximale Rmax de 0,62 A/W est atteinte à un λ de 244 nm et l'efficacité quantique externe (EQE) correspondante de 3,16 × 10²% calculée par l'expression EQE = hcRmax/(eλ), beaucoup plus haute que celle obtenue dans [30, 38] pour la collecte effective des porteurs photogénérés, où Rmax est la responsivité de pic, et h est la constante de Planck. e et λ sont la charge électronique et la longueur d'onde d'illumination respectivement. Comme la longueur d'onde est plus longue que 290 nm, la photoresponsivité est plus basse que 1 × 10⁻³, illustrant une bien meilleure sélectivité spectrale dans les dispositifs hybrides β-Ga₂O₃. Au même moment, le rapport de rejet de R₂₅₄ nm/R₄₀₀ nm est déterminé à 1,26 × 10³. Comparé avec le photodétecteur Ga₂O₃ inorganique rapporté, le dispositif hybride possède une photoresponsivité plus haute, une vitesse de réponse plus rapide et un rapport de rejet UV/visible plus grand, impliquant des photodétecteurs solaires aveugles prometteurs avec haute performance.

Conclusions

Nous avons fabriqué une diode barrière Schottky hybride PEDOT:PSS/β-Ga₂O₃. La hauteur de barrière Schottky φb et le facteur d'idéalité n sont dépendants de la température, indiquant que la hauteur de barrière Schottky était inhomogène à l'interface PEDOT:PSS/β-Ga₂O₃. La hauteur de barrière moyenne et l'écart-type peuvent être évalués à 1,57 eV et 0,212 eV respectivement, basés sur le modèle de distribution gaussienne de hauteur de barrière. De plus, les caractéristiques des photodétecteurs Schottky barrière DUV PEDOT:PSS/β-Ga₂O₃ ont aussi été investiguées. Une responsivité plus haute de 0,6 A/W, rapport de rejet de R₂₅₄ nm/R₄₀₀ nm = 1,26 × 10³, EQE de 3,16 × 10⁴% et une vitesse de réponse plus rapide de moins de 320 ms sont atteints, suggérant que les diodes barrière Schottky hybrides peuvent être utilisées comme commutateurs optiques ou photodétecteurs DUV.

Disponibilité des Données et 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 :

Largeur à mi-hauteur

HRMET :

Microscopie électronique en transmission à haute résolution

LUMO :

Orbitale moléculaire la plus basse inoccupée

PDCR :

Rapport photocourant/courant obscur

RMS :

Racine carrée moyenne

SBD :

Diodes barrière Schottky

TE :

Émission thermique