Investigasi PEDOT Hybrid:PSS/β-Ga2O3 Deep Ultraviolet Schottky Barrier Photodetectors

Hasil dan Diskusi

Karakteristik I–V dan Tinggi Penghalang

Seperti yang disajikan pada Gambar. 2a, karakteristik I–V dari hibrida PEDOT:PSS/β-Ga₂ O₃ Dioda penghalang Schottky diselidiki ketika suhu berubah dari 298 K ke 423 K. Arus meningkat secara monoton dengan suhu dan kurva semi-log I–V menunjukkan perilaku linier sebagai bias tegangan maju kurang dari 1,5 V. Sebagai bias maju tegangan semakin meningkat, kemiringan kurva semi-log I–V secara bertahap berkurang, dan arus maju mendekati 6 ~ 8 × 10 ⁻⁴ A, menunjukkan bahwa hambatan seri menyebabkan kurva I–V menyimpang dari linieritas. Selain itu, arus bocor balik kurang dari 10 ⁻⁹ A pada – 3 V, dan I _pada /Aku _nonaktif rasio hingga 10 ⁶ pada suhu kamar, menggambarkan perilaku penyearah sebaik β-Ga anorganik₂ O₃ Dioda Schottky [11,12,13,14,15].

Karakteristik I–V yang bergantung pada suhu dari PEDOT:PSS/β-Ga₂ O₃ SBD dari 298 hingga 423 K (a ) dan tinggi penghalang Schottky ϕ _b dan faktor idealitas n dari hibrida -Ga₂ O₃ SBD (b )

Menurut persamaan \( I={I}_s\left\{\exp \left[\frac{q\left(V-{IR}_s\right)}{nkT}\right]-1\right\} \) di mana V adalah tegangan bias, T dan k adalah suhu mutlak dan konstanta Boltzmann, masing-masing. Faktor idealitas n dan arus saturasi terbalik I _s dapat diekstraksi dari y perpotongan sumbu -dan kemiringan ekstrapolasi linier dari kurva semi-log I–V pada suhu yang berbeda. Meskipun faktor idealitas n dari dioda Schottky yang ideal sama dengan 1, selalu lebih besar dari 1 sampai batas tertentu di perangkat yang sebenarnya. Penyimpangan model emisi termal (TE) menjadi jauh lebih besar karena n meningkat. Menurut ekspresi \( {\phi}_b=\frac{kT}{q}\ln \left[\frac{AA^{\ast }{T}^2}{I_s}\right] \), kita dapat memperoleh ketinggian penghalang Schottky ϕ _b pada suhu yang berbeda, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2b. Peningkatan suhu menyebabkan ϕ _b meningkat dari 0,71 eV menjadi 0,84, 0,87, 0,90, 0,93, dan 0,96 eV sementara n menurun dari 4,27 menjadi 3,42, 3,35, 3,29, 3,06, dan 2,86. Untuk n jauh lebih besar dari 1, menunjukkan mekanisme konduksi lainnya, seperti efek medan atau efek medan termal, berkontribusi pada transpor saat ini dan menghasilkan perbedaan antara model TE murni dan karakteristik IV, yang telah diilustrasikan dalam SBD celah pita lebar, termasuk GaN dan SiC [31,32,33,34].

Untuk ϕ _b dan n bergantung pada suhu, ketidakhomogenan tinggi penghalang harus dipertimbangkan di PEDOT:PSS dan -Ga₂ O₃ antarmuka. Mempertimbangkan distribusi Gaussian dari tinggi penghalang, tinggi penghalang tidak homogen dapat digambarkan sebagai \( {\phi}_b=\overline{\phi_{b0}}\left(T=0\right)-\frac{q{\ sigma}_s^2}{2 kT} \) dan variasi n dengan T diberikan oleh \( \left(\frac{1}{n}-1\right)={\rho}_2-\frac{q{\rho}_3}{2 kT} \), di mana \( \overline {\phi_{b0}} \) dan σ _s adalah tinggi penghalang rata-rata dan simpangan baku, masing-masing, ρ ₂ dan ρ ₃ adalah koefisien tegangan yang bergantung pada suhu, dan deformasi tegangan dari distribusi ketinggian penghalang Schottky (SBH) dikuantifikasi oleh mereka (Gbr. 3a). \( \overline{\phi_{b0}} \) dan σ _s dapat dihitung dari intersep dan kemiringan ϕ _b versus q /2kT kurva, masing-masing sekitar 1,57 eV dan 0,212 eV. Pada saat yang sama, ρ ₂ dan ρ ₃ dievaluasi menjadi 0,4 eV dan 0,02 eV dari intersep dan kemiringan (1/n 1) versus q /2kT merencanakan. Dibandingkan dengan \( \overline{\phi_{b0}} \), σ _s tidak sedikit, menggambarkan adanya ketidakhomogenan penghalang pada PEDOT:PSS/β-Ga₂ O₃ antarmuka [35].

Variasi SBH ϕ _b dan (n ⁻¹ 1) dengan q /2KT kurva, \( \overline{\phi_{b0}} \) dan σ _s dapat diperoleh (a ), diubah \( \ln \left({I}_{\mathrm{s}}/{T}^2\right)-\left({q}^2{\sigma}_{\mathrm{s} }^2/2{k}^2{T}^2\kanan) \) versus 1000/T alur (b )

Dengan mempertimbangkan ketidakhomogenan ketinggian penghalang, hubungan antara arus saturasi terbalik I _s dan tinggi penghalang rata-rata \( \overline{\phi_{b0}} \)dapat dimodifikasi sebagai \( \mathrm{In}\left(\frac{I_s}{T^2}\right)-\left(\ frac{q^2{\sigma_s}^2}{2{k}^2{T}^2}\right)=\mathrm{In}\left({AA}^{\ast}\right)-\ frac{q\overline{\phi_{b0}}}{kT} \). Dari Gambar 3b dapat diketahui bahwa plot dari \( \ln \left({I}_{\mathrm{s}}/{T}^2\right)-\left({q}^2{ \sigma}_{\mathrm{s}}^2/2{k}^2{T}^2\right) \) versus 1/kT adalah garis lurus, dari mana kita dapat mengekstrak konstanta Richardson yang efektif A ^* dari 3,8 A cm ⁻² K ⁻² , satu orde besarnya lebih kecil dari konstanta Richardson teoritis sebesar 40,8 A cm ⁻² K ⁻² dengan -Ga₂ O₃ massa efektif m * =0,34 m₀ [36, 37]. Jadi, ϕ . yang bergantung pada suhu _b dan n , dengan kata lain, distribusi Gaussian dari hambatan pada SBH dapat digunakan untuk menjelaskan ketidakhomogenan hambatan pada PEDOT:PSS/β-Ga₂ O₃ antarmuka.

Karakteristik Fotodetektor UV

Seperti dijelaskan di atas, hibrida -Ga₂ O₃ Dioda Schottky menunjukkan karakteristik penyearah yang baik; rasio I _pada /Aku _nonaktif hingga 10 ⁶ dalam keadaan gelap pada suhu kamar. Arus gelap bawah I _gelap dari 9,4 nA@V _bias =4 V dapat ditentukan dari Gambar 4a, menunjukkan karakteristik kebisingan yang lebih rendah. Sedangkan di bawah insidensi normal panjang gelombang 254 nm dengan fotodensitas 150 W/cm ² , arus foto I _foto mencapai 112 nA@V _bias =4 V. Selain itu, fotodetektor menunjukkan efek fotovoltaik yang lemah dengan arus foto 0,45 nA pada 0 V dan tegangan rangkaian terbuka (V _ok ) dari 0,15 V, jauh lebih kecil dari 0,9 V dalam referensi [38], yang mungkin dikaitkan dengan perbedaan densitas pembawa dan variasi tingkat Fermi yang dihasilkan. Gambar 4b mewakili garis I _foto versus V _bias di berbagai P _ringan . Perangkat menunjukkan ketergantungan I _foto di P _ringan , dan Aku _foto meningkat secara non-linier dengan P _ringan , dengan kata lain, pada V . yang berbeda _bias, plot I _foto versus P _ringan menunjukkan perilaku superlinear yang jelas, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 4c. Untuk menjelaskan mekanisme perilaku superlinear, Gambar 4e menyajikan diagram energi dari PEDOT:PSS dan -Ga₂ O₃ sebelum kontak. Afinitas elektron dan celah pita -Ga₂ O₃ masing-masing adalah 4,0 eV dan 4,9 eV. Orbital molekul kosong (LUMO) terendah adalah 3,3 eV, dan orbital molekul terisi tertinggi PEDOT:PSS adalah 5,2 eV [39]. Saat mereka bersentuhan, penghalang Schottky terbentuk. Ketika perangkat diterangi dan bias balik diterapkan pada elektroda dioda Schottky, pasangan lubang elektron yang dihasilkan foto dipisahkan dengan cepat oleh medan listrik dan lubang melayang ke anoda sementara elektron ke katoda, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4f. Untuk keberadaan jebakan di PEDOT:PSS/β-Ga₂ O₃ antarmuka, lubang terperangkap pada status antarmuka dan menghasilkan muatan positif bersih, mengurangi ketinggian penghalang Schottky yang efektif, lebih banyak pembawa yang mengalir melintasi persimpangan Schottky, dan meningkatkan I _foto . Gambar 4d menyajikan kurva rasio arus gelap (PDCR) foto ke bawah di bawah P . yang berbeda _ringan . Saat bias tegangan bergeser dari

Hubungan antara Arus Foto Aku _foto @150 W/cm ² , arus gelap I _gelap , dan tegangan bias V _bias (a ), plot I _foto versus V _bias di bawah P . yang berbeda _ringan (b ), linier I _foto sebagai fungsi dari P _ringan (c ), kurva rasio foto terhadap arus gelap (PDCR) di bawah P . yang berbeda _ringan (d ), diagram pita PEDOT:PSS dan -Ga₂ O₃ sebelum kontak (e ), diagram pita PEDOT:PSS dan -Ga₂ O₃ di bawah bias mundur setelah kontak, kondisi tanpa tegangan yang diterapkan dan kondisi dengan bias mundur masing-masing ditunjukkan oleh garis padat dan garis putus-putus (f )

0V hingga 1.2V, PDCR meningkat secara bertahap dan kemudian menurun dengan bias tegangan menjadi lebih negatif, PDCR yang lebih tinggi di atas 20 dicapai pada V _bias dari 1,2 V dan P _ringan dari 150 W/cm ² .

Karakteristik fotorespon tergantung waktu dari fotodetektor hibrida dipelajari dengan menggunakan cahaya gelombang persegi dengan periode 10 detik di bawah V _bias dari 1,2 V dan P _ringan dari 150 W/cm ² . Setelah beberapa siklus iluminasi, perangkat mencapai kondisi stabil I _foto pada P . yang diberikan _ringan dan V _bias , seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5a. Waktu naik dan waktu peluruhan masing-masing adalah 319 ms dan 270 ms [40, 41], jauh lebih sedikit daripada perangkat yang dibuat pada epitaxial -Ga₂ O₃ film atau -Ga₂ O₃ serpihan [35, 42, 43] tetapi lebih panjang dari data di [31]. Untuk adanya double heterojunction pada [31], PEDOTT:PSS/Ga₂ O₃ persimpangan atas dan Ga₂ O₃ /p-Si persimpangan bawah, pembawa fotogenerasi dapat dipisahkan lebih efektif oleh medan listrik built-in ganda daripada satu-satunya PEDOTT:PSS/Ga₂ O₃ persimpangan dalam makalah ini. Oleh karena itu, lebih sedikit pembawa yang dapat ditangkap oleh cacat pada [31], menghasilkan waktu naik dan waktu peluruhan yang lebih pendek. Selanjutnya, fitur overshooting dapat diamati dari bentuk kurva respon foto dengan kepala yang berpotongan di bagian bawah P _ringan dari 150 W/cm ² dari yang terjadi di P _ringan dari 600 W/cm ² di [30] untuk koleksi efektif pembawa fotogenerasi di bawah bias terbalik 1,2 V daripada 0 V.

Multi-siklus (a ) dan siklus tunggal (b ) yang bergantung pada waktu I _foto dari hibrida PEDOT:PSS/β-Ga₂ O₃ Detektor foto penghalang Schottky di V _bias =1,2 V, waktu naik dan waktu peluruhan ditentukan masing-masing menjadi 319 ms dan 270 ms

Gambar 6 menggambarkan karakteristik responsivitas versus optik iluminasi λ di bawah V _bias dari 1.2 V. Responsivitas maksimum R _maks dari 0,62 A/W dicapai pada λ dari 244 nm dan efisiensi kuantum eksternal (EQE) yang sesuai sebesar 3,16 × 10 ² % dihitung dengan ekspresi EQE =hcR _maks /(eλ ), jauh lebih tinggi daripada yang diperoleh di [30, 38] untuk koleksi efektif pembawa fotogenerasi, di mana R _maks adalah responsivitas puncak, dan h adalah konstanta Plank. e dan λ adalah muatan elektronik dan panjang gelombang iluminasi, masing-masing. Karena panjang gelombang lebih panjang dari 290 nm, fotoresponsivitas lebih rendah dari 1 × 10 ⁻³ , menggambarkan selektivitas spektral yang jauh lebih baik dalam hibrida -Ga₂ O₃ perangkat. Pada saat yang sama, rasio penolakan R _254nm /R _400nm ditentukan menjadi 1,26 × 10 ³ . Dibandingkan dengan Ga₂ inorganic anorganik yang dilaporkan O₃ photodetektor [43,44,45,46,47,48,49], perangkat hibrida memiliki fotoresponsivitas yang lebih tinggi, kecepatan respons yang lebih cepat, dan rasio penolakan UV/terlihat yang lebih besar, menyiratkan fotodetektor buta surya yang menjanjikan dengan kinerja tinggi.

Responsivitas versus panjang gelombang untuk PEDOT:PSS/Ga₂ O₃ fotodetektor hibrida di V _bias =-1.2 V