Fotodetectores Schottky de Ultravioleta Profundo Híbridos PEDOT:PSS/β-Ga₂O₃: Análise de Desempenho Dependente de Temperatura

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 viés, 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 podem ser extraídos dos interceptos do eixo y e das inclinações da extrapolação linear das curvas I–V semi-log em diferentes temperaturas. Embora o fator de idealidade n do diodo Schottky ideal seja igual a 1, é sempre maior que 1 em algum grau em dispositivo real. O desvio do modelo de emissão térmica (TE) torna-se muito maior à medida que n aumenta. De acordo com a expressão \( {\phi}_b=\frac{kT}{q}\ln \left[\frac{AA^{\ast }{T}^2}{I_s}\right] \), podemos obter a altura de barreira Schottky ϕ_b em diferentes temperaturas, como mostrado na Fig. 2b. O aumento da temperatura causa ϕ_b a aumentar de 0,71 eV para 0,84, 0,87, 0,90, 0,93 e 0,96 eV enquanto n diminui de 4,27 para 3,42, 3,35, 3,29, 3,06 e 2,86. Para n muito maior que 1, sugerindo outros mecanismos de condução, como efeito de campo ou efeito termo-campo, contribuindo para o transporte de corrente e resultando na diferença entre modelo TE puro e as características I–V, que foi ilustrado em SBDs de banda proibida larga, incluindo GaN e SiC [31,32,33,34].

Para ϕ_b e n serem dependentes de temperatura, a inhomogeneidade de altura de barreira deve ser considerada na interface PEDOT:PSS e β-Ga₂O₃. Considerando a distribuição Gaussiana da altura de barreira, a altura de barreira inhomogênea 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 dada 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 de barreira média e o desvio padrão, respectivamente, ρ₂ e ρ₃ são coeficientes de tensão dependentes de temperatura e a deformação de tensão da distribuição de altura de barreira Schottky (SBH) foi quantificada por eles (Fig. 3a). \( \overline{\phi_{b0}} \) e σ_s podem ser calculados do intercepto e da inclinação da curva ϕ_b versus q/2kT, cerca de 1,57 eV e 0,212 eV, respectivamente. Ao mesmo tempo, ρ₂ e ρ₃ são avaliados como 0,4 eV e 0,02 eV do intercepto e inclinação do gráfico (1/n − 1) versus q/2kT. Comparado com \( \overline{\phi_{b0}} \), σ_s não é pequeno, ilustrando a existência de inhomogeneidade de barreira na interface PEDOT:PSS/β-Ga₂O₃ [35].

Considerando a inhomogeneidade de altura de barreira, a relação entre a corrente de saturação reversa I_s e a altura de barreira média \( \overline{\phi_{b0}} \) 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 discernir da Fig. 3b que o gráfico de \( \ln \left({I}_{\mathrm{s}}/{T}^2\right)-\left({q}^2{\sigma}_{\mathrm{s}}^2/2{k}^2{T}^2\right) \) versus 1/kT é uma linha reta, da qual podemos extrair a constante de Richardson efetiva A* de 3,8 A cm⁻²K⁻², uma ordem de magnitude menor que a constante de Richardson teórica de 40,8 A cm⁻²K⁻² com massa efetiva β-Ga₂O₃ de m* = 0,34 m₀ [36, 37]. Assim, ϕ_b e n dependentes de temperatura, em outras palavras, a distribuição Gaussiana das barreiras sobre SBHs pode ser usada para explicar a inhomogeneidade de barreira na interface PEDOT:PSS/β-Ga₂O₃.

Características de Fotodetector UV

Como descrito acima, o diodo Schottky híbrido β-Ga₂O₃ exibe boas características retificadoras; a razão de I_on/I_off até 10⁶ no estado escuro a temperatura ambiente. A menor corrente escura I_dark de 9,4 nA@V_bias = −4 V pode ser determinada da Fig. 4a, indicando característica de ruído menor. Enquanto sob incidência normal de comprimento de onda 254 nm com fotodensidade de 150 μW/cm², a fotocorrente I_photo atinge 112 nA@V_bias = −4 V. Além disso, o fotodetectores mostra um fraco efeito fotovoltaico com fotocorrente de 0,45 nA a 0 V e tensão de circuito aberto (V_oc) de 0,15 V, muito menor que 0,9 V na referência [38], que pode ser atribuído à diferença de densidade de portadores e a resultante variação do nível de Fermi. A Figura 4b representa o I_photo linear versus V_bias em vários P_light. O dispositivo mostra a dependência de I_photo no P_light e I_photo aumenta não-linearmente com P_light, em outras palavras, em diferentes V_bias, os gráficos de I_photo versus P_light demonstram 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-Ga₂O₃ antes do contato. A afinidade eletrônica e a banda proibida de β-Ga₂O₃ são 4,0 eV e 4,9 eV, respectivamente. O orbital molecular não ocupado mais baixo (LUMO) é 3,3 eV e o orbital molecular ocupado mais alto de PEDOT:PSS é 5,2 eV [39]. Quando entraram em contato, uma barreira Schottky foi formada. Quando o dispositivo é iluminado e o viés reverso é aplicado aos eletrodos dos diodos Schottky, os pares elétron-lacuna foto-gerados são separados rapidamente pelo campo elétrico e as lacunas derivam para o ânodo enquanto os elétrons para o cátodo, como mostrado na Fig. 4f. Pela presença de armadilhas na interface PEDOT:PSS/β-Ga₂O₃, as lacunas são aprisionadas nos estados de interface e produzem cargas positivas líquidas, reduzindo a altura de barreira Schottky efetiva, mais portadores fluindo através da junção Schottky e melhorando I_photo. A Figura 4d apresenta as curvas de razão fotocorrente-corrente escura (PDCR) sob diferentes P_light. À medida que o viés de tensão muda de

0V a −1,2V, o PDCR aumenta gradualmente e depois diminui com o viés de tensão tornando-se mais negativo, o PDCR maior acima de 20 é alcançado a V_bias de −1,2 V e P_light de 150 μW/cm².

As características de fotorresposta dependentes de tempo do fotodetectores híbrido são estudadas usando luz de onda quadrada com período de 10 s sob V_bias de −1,2 V e P_light de 150 μW/cm². Após vários ciclos de iluminação, dispositivos alcançam I_photo de estado ligado estável no dado P_light e V_bias, como representado na Fig. 5a. O tempo de subida e tempo de decaimento são 319 ms e 270 ms [40, 41], respectivamente, muito menores que os de dispositivos fabricados em filmes epitaxiais β-Ga₂O₃ ou flocos β-Ga₂O₃ [35, 42, 43] mas maiores que os dados em [31]. Pela existência de dupla heterojunção em [31], PEDOT:PSS/Ga₂O₃ junção superior e Ga₂O₃/p-Si junção inferior, os portadores foto-gerados podem ser separados mais efetivamente pelos campos elétricos embutidos duplos que a única junção PEDOT:PSS/Ga₂O₃ neste artigo. Portanto, menos portadores podem ser capturados por defeitos em [31], resultando em menor tempo de subida e decaimento. Além disso, a característica de overshooting pode ser observada nas formas das curvas de fotorresposta com cabeça em cunha no P_light menor de 150 μW/cm² que aquele ocorrido a P_light de 600 μW/cm² em [30] para a coleta efetiva de portadores foto-gerados sob viés reverso de −1,2 V em vez de 0 V.

A Figura 6 representa as características de responsividade versus iluminação óptica λ sob V_bias de −1,2 V. A responsividade máxima R_max de 0,62 A/W é alcançada a λ de 244 nm e a correspondente eficiência quântica externa (EQE) de 3,16 × 10²% calculada pela expressão EQE = hcR_max/(eλ), muito maior que a obtida em [30, 38] para a coleta efetiva de portadores foto-gerados, onde R_max é a responsividade de pico, e h é a constante de Planck. e e λ são a carga eletrônica e o comprimento de onda de iluminação, respectivamente. À medida que o comprimento de onda é maior que 290 nm, a fotorresponsividade é menor que 1 × 10⁻³, ilustrando uma seletividade espectral muito melhor nos dispositivos híbridos β-Ga₂O₃. Ao mesmo tempo, a razão de rejeição de R_{254 nm}/R_{400 nm} é determinada como 1,26 × 10³. Comparado com fotodetectores inorgânicos Ga₂O₃ relatados [43,44,45,46,47,48,49], o dispositivo híbrido possui maior fotorresponsividade, velocidade de resposta mais rápida e maior razão de rejeição UV/visível, implicando fotodetectores solar-cegos promissores com alto desempenho.