A Investigação do PEDOT Híbrido:PSS / β-Ga2O3 Fotodetectores Ultravioleta Profundo da Barreira Schottky

Resumo

Neste artigo, o híbrido β-Ga ₂ O ₃ Os diodos Schottky foram fabricados com PEDOT:PSS como ânodo. As características elétricas foram investigadas quando a temperatura muda de 298 K para 423 K. A altura da barreira ϕ _b aumenta, e o fator de idealidade n diminui à medida que a temperatura aumenta, indicando a presença de não homogeneidade de altura de barreira entre o polímero e β-Ga ₂ O ₃ interface. A altura média da barreira e o desvio padrão são 1,57 eV e 0,212 eV, respectivamente, após levar em consideração o modelo de distribuição da altura da barreira gaussiana. Além disso, uma velocidade de resposta relativamente rápida de menos de 320 ms, alta capacidade de resposta de 0,6 A / W e taxa de rejeição de R _{254 nm} / R _{400 nm} até 1,26 × 10 ³ são obtidos, sugerindo que o híbrido PEDOT:PSS / β-Ga ₂ O ₃ Os diodos de barreira Schottky podem ser usados como interruptores ópticos ultravioleta profundos (DUV) ou fotodetectores.

Introdução

Muitos grupos de pesquisa têm prestado muita atenção a um novo semicondutor de banda larga ultralargo de β-Ga ₂ O ₃ como um material potencial para fotodetectores ultravioleta profundos (DUV) [1,2,3,4,5,6,7], alta tensão e dispositivos de alta potência para o seu largo gap de banda (4,8-4,9 eV), campo elétrico de alta degradação (8 MV / cm) e estabilidade química [8,9,10,11]. Além disso, é simples clivar β-Ga ₂ O ₃ em nanomembranas ou cintas finas [12, 13] por sua propriedade única de grande constante de rede ao longo da direção [100]. Vários metais, como Cu [14], Pd [15], Pt [11, 16,17, 18,19], Au [15, 20], Ni [16, 21,22,23] e TiN [18], foram usados para investigar as características elétricas de β-Ga ₂ O ₃ Diodos de barreira Schottky (SBD). No entanto, os diodos Schottky fabricados com algum polímero e as características elétricas ainda não foram relatadas. Dentre todos os materiais orgânicos, PEDOT:PSS é um dos polímeros condutores de furos transparentes, cuja condutividade é de até 500 S / cm e a função de trabalho é de até 5,0 ~ 5,3 eV, próximo ao Au e Ni [23,24,25 ] Além disso, o filme PEDOT:PSS pode ser formado apenas por spin-coating sobre o substrato e posterior cozimento ao ar. Existem algumas investigações em relação ao contato Schottky transparente de PEDOT:PSS em substrato monocristalino de ZnO e epilayer GaN, exibindo boas propriedades retificadoras e características fotoelétricas ou fotovoltaicas [26,27,28,29].

Neste trabalho, o diodo Schottky híbrido foi fabricado com o polímero PEDOT:PSS e o β-Ga esfoliado mecanicamente ₂ O ₃ flocos de alta qualidade β-Ga ₂ O ₃ substrato. As características elétricas dos diodos foram investigadas na região de temperatura entre 298 K e 423 K. Além disso, as medições I – V sob a iluminação UV foram realizadas, a responsividade foi medida e o comportamento transiente da fotocorrente também foi analisado.

Métodos Experimentais

O β-Ga ₂ O ₃ flocos com a espessura de 15-25 μm foram esfoliados mecanicamente do (100) β-Ga ₂ O ₃ substrato com a concentração de elétrons de 7 × 10 ¹⁶ cm ⁻³ . Pois a densidade do elétron é 2-3 ordens de magnitude maior do que no Ga ₂ dopado involuntariamente O ₃ epilayer depositado em substrato de safira em [30] e os filmes PEDOT:PSS altamente condutores foram usados neste artigo, então a heterojunção pn foi formada em [30] enquanto a junção de Schottky foi formada neste artigo [30]. A Figura 1a mostra o diagrama esquemático do PEDOT híbrido:PSS / β-Ga ₂ O ₃ Diodo Schottky. O β-Ga ₂ O ₃ flocos foram limpos em acetona, etanol e água deionizada com agitação ultrassônica e, em seguida, imersos no HF:H ₂ Solução O (1:10) para remover os óxidos superficiais. Em seguida, a deposição de pilha de metal Ti / Au (20 nm / 100 nm) foi realizada em todo o lado posterior e o processamento térmico rápido a 470 ° C sob N ₂ atmosfera foi conduzida por 60 s para diminuir a resistência de contato ôhmica. Após a rotação revestir a superfície de β-Ga ₂ O ₃ flake por três vezes, PEDOT:PSS foi cozido em uma placa elétrica a 150 ° C, e a duração do cozimento foi de 15 min. Posteriormente, foram obtidos dispositivos isolados com área de 1 mm × 2 mm. A partir da imagem HRTEM da Fig. 1b, podemos observar que os átomos estão regularmente arranjados e poucos desalinhamentos da coluna atômica estão presentes, indicando uma alta qualidade de cristal do β-Ga ₂ O ₃ Floco. Como mostrado na Fig. 1c, d, o FWHM de HRXRD é de cerca de 35,3 arcsec, e a raiz quadrada média (RMS) é estimada em 0,19 nm, ilustrando a qualidade de cristal superior e superfície lisa.

Diagrama esquemático do PEDOT híbrido:PSS / β-Ga ₂ O ₃ Díodo Schottky ( a ), Imagem HRTEM ( b ), Curva de balanço HRXRD do plano (400) ( c ), Imagem AFM de β-Ga ₂ O ₃ floco obtido de β-Ga ₂ O ₃ substrato por esfoliação mecânica, apresentando cristal de alta qualidade e superfície lisa ( d )

Resultado e discussão

Características I – V e altura da barreira

Conforme apresentado na Fig. 2a, as características I – V do híbrido PEDOT:PSS / β-Ga ₂ O ₃ Os diodos de barreira Schottky foram investigados quando a temperatura muda de 298 K para 423 K. A corrente aumenta monotonamente com a temperatura e as curvas I – V de semi-log mostram o comportamento linear como polarização de tensão direta menor que 1,5 V. Como polarização direta a tensão aumenta ainda mais, a inclinação das curvas I – V de semi-log reduz gradualmente e a corrente direta se aproxima de 6 ~ 8 × 10 ⁻⁴ A, indicando que a resistência em série faz com que a curva I – V se desvie da linearidade. Além disso, a corrente de fuga reversa é inferior a 10 ⁻⁹ A em - 3 V, e o I _em / eu _desligado proporção é de até 10 ⁶ à temperatura ambiente, ilustrando um comportamento retificador tão bom quanto o β-Ga inorgânico ₂ O ₃ Diodos Schottky [11,12,13,14,15].

Características I – V dependentes da temperatura de PEDOT:PSS / β-Ga ₂ O ₃ SBDs de 298 a 423 K ( a ) e altura da barreira Schottky ϕ _b e fator de idealidade n do híbrido β-Ga ₂ O ₃ SBD ( b )

De acordo com a equação \ (I ={I} _s \ left \ {\ exp \ left [\ frac {q \ left (V- {IR} _s \ right)} {nkT} \ right] -1 \ right \} \) onde V é a tensão de polarização, T e k são a temperatura absoluta e a constante de Boltzmann, respectivamente. O fator de idealidade n e a corrente de saturação reversa I _s pode ser extraído do y -eixo intercepta e as inclinações da extrapolação linear das curvas semi-log I – V em diferentes temperaturas. Embora o fator de idealidade n do diodo Schottky ideal é igual a 1, é sempre maior do que 1 em certa medida no dispositivo real. O desvio do modelo de emissão térmica (TE) torna-se muito maior quando n aumenta. De acordo com a expressão \ ({\ phi} _b =\ frac {kT} {q} \ ln \ left [\ frac {AA ^ {\ ast} {T} ^ 2} {I_s} \ right] \), nós pode obter a altura da barreira Schottky ϕ _b em diferentes temperaturas, como mostrado na Fig. 2b. O aumento da temperatura causa ϕ _b para aumentar de 0,71 eV para 0,84, 0,87, 0,90, 0,93 e 0,96 eV enquanto n para diminuir de 4,27 para 3,42, 3,35, 3,29, 3,06 e 2,86. Para n muito maior do que 1, sugerindo outros mecanismos de condução, como efeito de campo ou efeito de campo térmico, contribuindo para o transporte de corrente e resultando na diferença entre o modelo TE puro e as características I – V, o que foi ilustrado nos SBDs de largo bandgap, incluindo GaN e SiC [31,32,33,34].

Para ϕ _b e n são dependentes da temperatura, a não homogeneidade da altura da barreira deve ser considerada no PEDOT:PSS e β-Ga ₂ O ₃ interface. Considerando a distribuição gaussiana da altura da barreira, a altura da barreira não homogênea pode ser descrita como \ ({\ phi} _b =\ overline {\ phi_ {b0}} \ left (T =0 \ right) - \ frac {q {\ sigma} _s ^ 2} {2 kT} \) e a variação de n com T é dado por \ (\ left (\ frac {1} {n} -1 \ right) ={\ rho} _2- \ frac {q {\ rho} _3} {2 kT} \), onde \ (\ overline {\ phi_ {b0}} \) e σ _s são a altura média da barreira e o desvio padrão, respectivamente, ρ ₂ e ρ ₃ são os coeficientes de tensão dependentes da temperatura, e a distribuição de deformação de tensão da altura da barreira Schottky (SBH) foi quantificada por eles (Fig. 3a). \ (\ overline {\ phi_ {b0}} \) e σ _s pode ser calculado a partir da interceptação e da inclinação do ϕ _b versus q / 2 kT curva, cerca de 1,57 eV e 0,212 eV, respectivamente. Ao mesmo tempo, ρ ₂ e ρ ₃ são avaliados como sendo 0,4 eV e 0,02 eV a partir da interceptação e inclinação do (1 / n - 1) versus q / 2 kT enredo. Comparado com \ (\ overline {\ phi_ {b0}} \), σ _s não é pequeno, ilustrando a existência de não homogeneidade de barreira em PEDOT:PSS / β-Ga ₂ O ₃ interface [35].

A variação do SBH ϕ _b e ( n ⁻¹ - 1) com q / 2 KT curvas, \ (\ overline {\ phi_ {b0}} \) e σ _s pode ser obtido ( a ), modificado \ (\ ln \ left ({I} _ {\ mathrm {s}} / {T} ^ 2 \ right) - \ left ({q} ^ 2 {\ sigma} _ {\ mathrm {s} } ^ 2/2 {k} ^ 2 {T} ^ 2 \ right) \) versus 1000 / T plot ( b )

Considerando a não homogeneidade da altura da barreira, a relação entre a corrente de saturação reversa I _s e a altura média da barreira \ (\ overline {\ phi_ {b0}} \) pode ser modificada como \ (\ 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} \). Pode-se perceber na Fig. 3b que o gráfico do \ (\ ln \ left ({I} _ {\ mathrm {s}} / {T} ^ 2 \ right) - \ left ({q} ^ 2 { \ sigma} _ {\ mathrm {s}} ^ 2/2 {k} ^ 2 {T} ^ 2 \ right) \) versus 1 / kT é uma linha reta, da qual podemos extrair a constante efetiva de Richardson A ^* de 3,8 A cm ⁻² K ⁻² , uma magnitude de ordem menor do que a constante teórica de Richardson de 40,8 A cm ⁻² K ⁻² com o β-Ga ₂ O ₃ massa efetiva de m * =0,34 m ₀ [36, 37]. Assim, o dependente da temperatura ϕ _b e n , em outras palavras, a distribuição gaussiana das barreiras sobre SBHs pode ser usada para explicar a inomogeneidade da barreira no PEDOT:PSS / β-Ga ₂ O ₃ interface.

Características do fotodetector UV

Conforme descrito acima, o híbrido β-Ga ₂ O ₃ O diodo Schottky exibe boas características de retificação; a proporção de eu _em / eu _desligado até 10 ⁶ no estado escuro à temperatura ambiente. A corrente escura inferior I _escuro de 9,4 nA @ V _preconceito =- 4 V pode ser determinado a partir da Fig. 4a, indicando uma característica de ruído inferior. Enquanto sob a incidência normal de comprimento de onda de 254 nm com fotodensidade de 150 μW / cm ² , a fotocorrente I _foto atinge 112 nA @ V _preconceito =- 4 V. Além disso, o fotodetector mostra um efeito fotovoltaico fraco com uma fotocorrente de 0,45 nA a 0 V e uma tensão de circuito aberto ( V _oc ) de 0,15 V, muito menos que 0,9 V na referência [38], o que pode ser atribuído à diferença de densidade do portador e à variação do nível de Fermi resultante. A Figura 4b representa o I linear _foto versus V _preconceito em vários P _leve . O dispositivo mostra a dependência de I _foto no P _leve , e o eu _foto aumenta não linearmente com o P _leve , em outras palavras, em V diferente _preconceito, as tramas de eu _foto versus P _leve demonstrar um comportamento superlinear óbvio, como mostrado na Fig. 4c. Para elucidar o mecanismo do comportamento superlinear, a Fig. 4e apresenta o diagrama de energia do PEDOT:PSS e β-Ga ₂ O ₃ antes do contato. A afinidade de elétrons e o bandgap de β-Ga ₂ O ₃ são 4,0 eV e 4,9 eV, respectivamente. O orbital molecular desocupado mais baixo (LUMO) é 3,3 eV, e o orbital molecular mais ocupado do PEDOT:PSS é 5,2 eV [39]. Quando eles entraram em contato, uma barreira Schottky foi formada. Quando o dispositivo é iluminado e a polarização reversa é aplicada aos eletrodos dos diodos Schottky, os pares de elétrons-orifícios gerados pela foto são separados rapidamente pelo campo elétrico e os orifícios derivam para o ânodo enquanto os elétrons para o cátodo, como mostrado em Fig. 4f. Para a presença de armadilhas no PEDOT:PSS / β-Ga ₂ O ₃ interface, os buracos ficam presos nos estados da interface e produzem cargas líquidas positivas, reduzindo a altura efetiva da barreira Schottky, mais portadores fluindo através da junção Schottky e melhorando o I _foto . A Figura 4d apresenta a foto para as curvas da razão de corrente escura (PDCR) sob diferentes P _leve . À medida que a polarização de tensão muda de

Relação entre fotocorrente I _foto @ 150 μW / cm ² , corrente escura eu _escuro , e tensão de polarização V _preconceito ( a ), parcelas de I _foto versus V _preconceito sob diferentes P _leve ( b ), linear I _foto como uma função de P _leve ( c ), curvas de proporção de foto para corrente escura (PDCR) sob diferentes P _leve ( d ), diagrama de banda de PEDOT:PSS e β-Ga ₂ O ₃ antes do contato ( e ), diagrama de banda de PEDOT:PSS e β-Ga ₂ O ₃ sob a polarização reversa após o contato, a condição sem tensão aplicada e a condição com polarização reversa são mostradas pela linha contínua e a linha tracejada, respectivamente ( f )

0V a - 1,2V, o PDCR aumenta gradualmente e depois diminui com a polarização da tensão se tornando mais negativa, quanto maior o PDCR acima de 20 é alcançado em um V _preconceito de - 1,2 V e um P _leve de 150 μW / cm ² .

As características de fotorresposta dependente do tempo do fotodetector híbrido são estudadas usando luz de onda quadrada com um período de 10 s sob o V _preconceito de - 1,2 V e um P _leve de 150 μW / cm ² . Depois de vários ciclos de iluminação, os dispositivos atingem o estado estável no estado I _foto no dado P _leve e V _preconceito , conforme representado na Fig. 5a. O tempo de subida e o tempo de decaimento são 319 ms e 270 ms [40, 41], respectivamente, muito menos do que aqueles de dispositivos fabricados em β-Ga epitaxial ₂ O ₃ filmes ou β-Ga ₂ O ₃ flocos [35, 42, 43] mas mais longos do que os dados em [31]. Para a existência de dupla heterojunção em [31], PEDOTT:PSS / Ga ₂ O ₃ junção superior e Ga ₂ O ₃ / p-Si junção inferior, os portadores fotogerados podem ser separados de forma mais eficaz pelos campos elétricos integrados duplos do que o único PEDOTT:PSS / Ga ₂ O ₃ junção neste artigo. Portanto, menos portadores podem ser capturados pelos defeitos em [31], resultando em menor tempo de subida e tempo de decaimento. Além disso, o recurso de overshooting pode ser observado a partir das formas das curvas de fotorresposta com uma cabeça em cunha na parte inferior do P _leve de 150 μW / cm ² do que isso ocorreu no P _leve de 600 μW / cm ² em [30] para a coleção efetiva de portadores fotogerados sob a polarização reversa de -1,2 V ao invés de 0 V.

Multi-ciclos ( a ) e ciclo único ( b ) de dependente do tempo I _foto do híbrido PEDOT:PSS / β-Ga ₂ O ₃ Fotodetector de barreira Schottky no V _preconceito =- 1,2 V, o tempo de subida e o tempo de decaimento são determinados em 319 ms e 270 ms, respectivamente

A Figura 6 representa as características de responsividade versus a iluminação óptica λ sob o V _preconceito de - 1,2 V. A responsividade máxima R _máximo de 0,62 A / W é alcançado em um λ de 244 nm e a correspondente eficiência quântica externa (EQE) de 3,16 × 10 ² % calculado pela expressão EQE = hcR _máximo / ( eλ ), muito superior ao obtido em [30, 38] para a coleta efetiva de portadores fotogerados, onde R _máximo é o pico de responsividade e h é a constante de Plank. e e λ são a carga eletrônica e o comprimento de onda de iluminação, respectivamente. Como o comprimento de onda é maior que 290 nm, a fotorresposta é menor que 1 × 10 ⁻³ , ilustrando uma seletividade espectral muito melhor no híbrido β-Ga ₂ O ₃ dispositivos. Ao mesmo tempo, a taxa de rejeição de R _{254 nm} / R _{400 nm} é determinado como 1,26 × 10 ³ . Comparado com o Ga inorgânico relatado ₂ O ₃ fotodetector [43,44,45,46,47,48,49], o dispositivo híbrido possui maior fotorresposta, maior velocidade de resposta e maior razão de rejeição UV / visível, implicando em fotodetectores cegos solares promissores com alto desempenho.

Responsividade versus comprimentos de onda para o PEDOT:PSS / Ga ₂ O ₃ fotodetectores híbridos em V _preconceito =-1,2 V

Conclusões

Fabricamos PEDOT:PSS / β-Ga ₂ O ₃ diodo de barreira Schottky híbrido. A altura da barreira Schottky ϕ _b e fator de idealidade n são dependentes da temperatura, indicando que a altura da barreira Schottky não era homogênea em PEDOT:PSS / β-Ga ₂ O ₃ interface. A altura média da barreira e o desvio padrão podem ser avaliados em 1,57 eV e 0,212 eV, respectivamente, com base no modelo de distribuição da altura da barreira gaussiana. Além disso, as características do PEDOT:PSS / β-Ga ₂ O ₃ Fotodetectores de barreira DUV Schottky também foram investigados. A maior responsividade de 0,6 A / W, taxa de rejeição de R _{254 nm} / R _{400 nm} =1,26 × 10 ³ , EQE de 3,16 × 10 ⁴ % e uma velocidade de resposta mais rápida de menos de 320 ms são alcançados, sugerindo que os diodos de barreira Schottky híbridos podem ser usados como chaves ópticas DUV ou fotodetectores.

Disponibilidade de dados e materiais

Todos os dados estão disponíveis com os autores por meio de uma solicitação razoável.

Abreviações

AFM:: Microscópio de força atômica
DUV:: Ultravioleta profundo
EQE:: Eficiência quântica externa
FWHM:: Meio máximo de largura total
HRTEM:: Microscopia eletrônica de transmissão de alta resolução
LUMO:: Orbital molecular mais baixo desocupado
PDCR:: Proporção atual da foto para o escuro
RMS:: Raiz quadrada média
SBDs:: Diodos de barreira Schottky
TE:: Emissão térmica

Propriedades elétricas e ópticas de filmes epitaxiais SrSnO3 dopados com Nb depositados por deposição de laser pulsado Atividade de imitação da peroxidase ativada por elétrons quentes de nanozimas ultrafinas de Pd

Nanomateriais

Materiais Poliméricos

biológico

Corante

Especiarias