Analisis Kinerja Bergantung Suhu pada Fotodetektor Schottky DUV Hibrid PEDOT:PSS/β‑Ga2O3

Abstrak

Dalam makalah ini, dioda Schottky hibrid β-Ga2O3 dibuat dengan PEDOT:PSS sebagai anoda. Karakteristik listrik ditelisteni saat suhu berubah dari 298 K hingga 423 K. Tinggi barrier ϕb meningkat, dan faktor idealitas n menurun seiring peningkatan suhu, yang menunjukkan keberadaan ketidakhomogenan tinggi barrier antara antarmuka polimer dan β-Ga2O3. Tinggi barrier rata-rata dan simpangan baku adalah 1,57 eV dan 0,212 eV, masing-masing, setelah mempertimbangkan model distribusi tinggi barrier Gaussian. Selain itu, kecepatan respons yang relatif cepat kurang dari 320 ms, responsivitas tinggi sebesar 0,6 A/W, dan rasio penolakan R254 nm/R400 nm hingga 1,26 × 10³ diperoleh, yang menunjukkan bahwa dioda barrier Schottky hibrid PEDOT:PSS/β-Ga2O3 dapat digunakan sebagai sakit optik DUV atau fotodetektor.

Pendahuluan

Banyak kelompok penelitian telah banyak memperhatikan semiconductornya ultrawide bandgap baru β-Ga2O3 sebagai materi potensial untuk fotodetektor DUV [1,2,3,4,5,6,7], perangkat tegangan tinggi dan daya tinggi karena band gap yang lebar (4,8–4,9 eV), medan bocor tinggi (8 MV/cm), dan stabilitas kimia [8,9,10,11]. Selain itu, mudah untuk memecah β-Ga2O3 menjadi nano-membran atau sabit tipis [12, 13] karena properti uniknya dari konstanta jaringan besar sepanjang arah [100]. Berbagai logam, seperti Cu [14], Pd [15], Pt [11, 16,17,18,19], Au [15, 20], Ni [16, 21,22,23], dan TiN [18], digunakan untuk menyelidiki karakteristik listrik dari dioda barrier Schottky β-Ga2O3 (SBD). Namun, dioda Schottky yang dibuat dengan beberapa polimer dan karakteristik listriknya belum pernah dilaporkan. Di antara semua bahan organik, PEDOT:PSS adalah salah satu polimer konduktor lubang transparan, yang konduktivitasnya hingga 500 S/cm dan fungsi kerja hingga 5,0 ~ 5,3 eV, mendekati Au dan Ni [23,24,25]. Selain itu, film PEDOT:PSS dapat dibuat hanya dengan spin-coating pada substrat dan kemudian dipanaskan di udara. Ada beberapa penelitian mengenai kontak Schottky transparan PEDOT:PSS pada substrat kristal tunggal ZnO dan epilayer GaN, yang menunjukkan properti rectifier yang baik dan karakteristik fotoelektrik atau fotovoltaik [26,27,28,29].

Dalam pekerjaan ini, dioda Schottky hibrid dibuat dengan polimer PEDOT:PSS dan flakes β-Ga2O3 yang diekfoliasi secara mekanis dari substrat β-Ga2O3 berkualitas tinggi. Karakteristik listrik dioda ditelisteni dalam wilayah suhu antara 298 K dan 423 K. Selain itu, pengukuran I–V di bawah iluminasi UV dilakukan, responsivitas diukur, dan perilaku transien arus foto juga dianalisis.

Metode Eksperimen

Flakes β-Ga2O3 dengan ketebalan 15–25 μm diekfoliasi secara mekanis dari substrat β-Ga2O3 (100) dengan konsentrasi elektron 7 × 10¹⁶ cm⁻³. Karena densitas elektron adalah 2–3 orde magnitud lebih tinggi daripada epilayer Ga2O3 yang tidak sengaja di-dope yang ditampilan pada substrat safir dalam [30] dan film PEDOT:PSS yang konduktif tinggi digunakan dalam makalah ini, jadi heterojunc pn terbentuk dalam [30] sementara junc Schottky terbentuk dalam makalah ini [30]. Gambar 1a menunjukkan diagram skematik dioda Schottky hibrid PEDOT:PSS/β-Ga2O3. Flakes β-Ga2O3 dibersihkan dengan aseton, etanol, dan air deionisasi dengan pengacau ultrasonik dan kemudian direndam dalam larutan HF: H2O (1:10) untuk menghilangkan oksida permukaan. Kemudian, tumpukan logam Ti/Au(20 nm/100 nm) ditetapkan pada seluruh sisi belakang, dan pemrosesan termal cepat pada 470 °C di bawah suasana N2 dilakukan selama 60 s untuk mengurangi resistansi kontak ohmik. Setelah spin-coated pada permukaan flake β-Ga2O3 sebanyak tiga kali, PEDOT:PSS dipanaskan pada plat panas listrik pada 150 °C, dan durasi pemanasan adalah 15 menit. Selanjutnya, perangkat terisolasi dengan luas 1 mm × 2 mm diperoleh. Dari citra HRTEM Gambar 1b, kita dapat mengamati bahwa atom tersusun secara teratur dan sedikit kesesetiran kolom atom ada, yang menunjukkan kristal berkualitas tinggi dari flake β-Ga2O3. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1c, d, FWHM HRXRD sekitar 35,3 arcsec, dan RMS diperkirakan sebesar 0,19 nm, yang menggambarkan kristal berkualitas tinggi dan permukaan halus.

Hasil dan Pembahasan

Karakteristik I–V dan Tinggi Barrier

Seperti yang ditampilkan pada Gambar 2a, karakteristik I–V dari dioda barrier Schottky hibrid PEDOT:PSS/β-Ga2O3 ditelisteni saat suhu berubah dari 298 K hingga 423 K. Arus meningkat monoton dengan suhu dan kurva I–V semi-log menunjukkan perilaku linear saat bias tegangan maju kurang dari 1,5 V. Saat bias tegangan maju semakin meningkat, kemiringan kurva I–V semi-log secara bertasama berkurang, dan arus maju mendekati 6 ~ 8 × 10⁻⁴ A, yang menunjukkan bahwa resistansi seri menyebabkan kurva I–V menyimpang dari linearitas. Selain itu, arus kebocoran mundur kurang dari 10⁻⁹ A pada – 3 V, dan rasio Ion/Ioff hingga 10⁶ pada suhu ruang, yang menunjukkan perilaku rectifier yang sebaik dioda Schottky β-Ga2O3 anorganik [11,12,13,14,15].

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 mundur Is dapat diekstrak dari tangkapan sumbu y dan kemiringan ekstrapolasi linier dari kurva I–V semi-log pada berbagai suhu. Meskipun faktor idealitas n dari dioda Schottky ideal sama dengan 1, selalu lebih besar dari 1 hingga beberapa titik dalam perangkat aktual. Deviasi model emisi termal (TE) menjadi jauh lebih besar seiring meningkatnya n. Menurut ekspresi \( {\phi}_b=\frac{kT}{q}\ln \left[\frac{AA^{\ast }{T}^2}{I_s}\right] \), kita dapat mendapatkan tinggi barrier Schottky ϕb pada berbagai suhu, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2b. Peningkatan suhu menyebabkan ϕb 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 yang jauh lebih besar dari 1, menunjukkan mekanisme konduksi lain, seperti efek medan atau efek medan termal, berkontribusi pada transportasi arus dan menghasilkan perbedaan antara model TE murni dan karakteristik I–V, yang telah diilustrasikan dalam SBD bandgap lebar, termasuk GaN dan SiC [31,32,33,34].

Karena ϕb dan n bergantung suhu, ketidakhomogenan tinggi barrier harus dipertimbangkan di antarmuka PEDOT:PSS dan β-Ga2O3. Dengan mempertimbangkan distribusi Gaussian dari tinggi barrier, ketidakhomogenan tinggi barrier dapat dijelaskan 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 σs adalah tinggi barrier rata-rata dan simpangan baku, masing-masing, ρ2 dan ρ3 adalah koefisien tegangan bergantung suhu, dan deformasi tegangan distribusi tinggi barrier Schottky (SBH) dikuantifikasi oleh mereka (Gambar 3a). \( \overline{\phi_{b0}} \) dan σs dapat dihitung dari tangkapan dan kemiringan kurva ϕb versus q/2kT, sekitar 1,57 eV dan 0,212 eV, masing-masing. Pada saat yang sama, ρ2 dan ρ3 dievaluasi sebesar 0,4 eV dan 0,02 eV dari tangkapan dan kemiringan plot (1/n − 1) versus q/2kT. Dibandingkan dengan \( \overline{\phi_{b0}} \), σs tidak kecil, yang menunjukkan keberadaan ketidakhomogenan barrier di antarmuka PEDOT:PSS/β-Ga2O3 [35].

Dengan mempertimbangkan ketidakhomogenan tinggi barrier, hubungan antara arus saturasi mundur Is dan tinggi barrier rata-rata \( \overline{\phi_{b0}} \) dapat dimodifikasi sebagai \( \mathrm{In}\left(\frac{I_s}{T^2}\right)-\left(\frac{q^2{\sigma_s}^2}{2{k}^2{T}^2}\right)=\mathrm{In}\left({AA}^{\ast}\right)-\frac{q\overline{\phi_{b0}}}{kT} \). Dapat terlihat dari Gambar 3b bahwa plot \( \ln \left({I}_{\mathrm{s}}/{T}^2\right)-\left({q}^2{\sigma}_{\mathrm{s}}^2/2{k}^2{T}^2\right) \) versus 1/kT adalah garis lurus, dari mana kita dapat mengekstrak konstanta Richardson efektif A* sebesar 3,8 A cm⁻²K⁻², satu orde magnitud lebih kecil dari konstanta Richardson teoretis sebesar 40,8 A cm⁻²K⁻² dengan massa efektif β-Ga2O3 m* = 0,34 m0 [36, 37]. Jadi, ϕb dan n yang bergantung suhu, dalam kata lain, distribusi Gaussian dari barrier di atas SBH dapat digunakan untuk menjelaskan ketidakhomogenan barrier di antarmuka PEDOT:PSS/β-Ga2O3.

Karakteristik Fotodetektor UV

Seperti yang dijelaskan di atas, dioda Schottky hibrid β-Ga2O3 menunjukkan karakteristik rectifier yang baik; rasio Ion/Ioff hingga 10⁶ dalam keadaan gelap pada suhu ruang. Arus gelap rendah Idark sebesar 9,4 nA@Vbias = − 4 V dapat ditentukan dari Gambar 4a, yang menunjukkan karakteristik kebisingan rendah. Sementara di bawah insiden normal panjang gelombang 254 nm dengan fotodensitas 150 μW/cm², arus foto Iphoto mencapai 112 nA@Vbias = − 4 V. Selain itu, fotodetektor menunjukkan efek fotovoltaik lemah dengan arus foto 0,45 nA pada 0 V dan tegangan sirkuit terbuka (Voc) sebesar 0,15 V, jauh kurang dari 0,9 V dalam referensi [38], yang mungkin disebabkan oleh perbedaan densitas pembawa dan variasi level Fermi yang dihasilkan. Gambar 4b mewakili plot Iphoto versus Vbias yang linier pada berbagai Plight. Perangkat menunjukkan ketergantungan Iphoto pada Plight, dan Iphoto meningkat non-linear dengan Pleng, dalam kata lain, pada berbagai Vbias, plot Iphoto versus Pleng menunjukkan perilaku superlinear yang jelas, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4c. Untuk mengungkapkan mekanisme perilaku superlinear, Gambar 4e menyajikan diagram energi PEDOT:PSS dan β-Ga2O3 sebelum kontak. Afinitas elektron dan band gap β-Ga2O3 adalah 4,0 eV dan 4,9 eV, masing-masing. Orbital molekuler tidak terisi terendah (LUMO) adalah 3,3 eV, dan orbital molekuler tertinggi terisi PEDOT:PSS adalah 5,2 eV [39]. Saat mereka bersentuhan, barrier Schottky terbentuk. Ketika perangkat diilumini dan bias mundur diterapkan pada elektroda dioda Schottky, pasangan elektron-lubang yang dihasilkan foto dipisahkan dengan cepat oleh medan listrik dan lubang mendrift ke anoda sementara elektron ke katoda, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4f. Untuk keberadaan jerat di antarmuka PEDOT: PSS/β-Ga2O3, lubang tertangkap di status antarmuka dan menghasilkan muatan positif bersih, mengurangi tinggi barrier Schottky efektif, lebih banyak pembawa mengalir melalui junc Schottky, dan meningkatkan Iphoto. Gambar 4d menunjukkan kurva rasio arus foto ke arus gelap (PDCR) pada berbagai Pleng. Saat bias tegangan bergeser dari 0V hingga − 1,2V, PDCR meningkat secara bertasama lalu menurun dengan bias tegangan semakin negatif, PDCR di atas 20 tercapai pada Vbias sebesar − 1,2 V dan Pleng sebesar 150 μW/cm².

Karakteristik foto-respons yang bergantung waktu dari fotodetektor hibrid dikaji dengan menggunakan gelombang persegi cahaya dengan periode 10 s pada Vbias sebesar − 1,2 V dan Pleng sebesar 150 μW/cm². Setelah beberapa siklus iluminasi, perangkat mencapai keadaan stabil Iphoto pada Pleng dan Vbias yang diberikan, seperti yang ditampilkan pada Gambar 5a. Waktu naik dan waktu roboh adalah 319 ms dan 270 ms [40, 41], masing-masing, jauh lebih kecil dari perangkat yang dibuat pada film epitaksial β-Ga2O3 atau flakes β-Ga2O3 [35, 42, 43] tetapi lebih lama dari data dalam [31]. Untuk keberadaan double heterojunc dalam [31], junc atas PEDOT:PSS/Ga2O3 dan junc bawah Ga2O3/p-Si, pembawa yang dihasilkan foto dapat dipisahkan lebih efektif oleh medan built-in ganda daripada hanya satu junc PEDOT:PSS/Ga2O3 dalam makalah ini. Oleh karena itu, lebih sedikit pembawa dapat tertangkap oleh cacat dalam [31], yang mengakibatkan waktu naik dan waktu roboh yang lebih pendek. Selain itu, fitur overshooting dapat diamati dari bentuk kurva foto-respons dengan ujung cengkeram pada Pleng yang lebih rendah sebesar 150 μW/cm² daripada yang terjadi pada Pleng sebesar 600 μW/cm² dalam [30] untuk pengumpulan yang efektif dari pembawa yang dihasilkan foto di bawah bias mundur − 1,2 V daripada 0 V.

Gambar 6 menggambarkan karakteristik responsivitas versus panjang gelombang iluminasi λ pada Vbias sebesar − 1,2 V. Responsivitas maksimum Rmax sebesar 0,62 A/W tercapai pada λ sebesar 244 nm dan EQE yang sesuai sebesar 3,16 × 10²% dihitung dengan ekspresi EQE = hcRmax/(eλ), jauh lebih tinggi dari yang diperoleh dalam [30, 38] untuk pengumpulan yang efektif dari pembawa yang dihasilkan foto, di mana Rmax adalah responsivitas puncak, dan h adalah konstanta Planck. e dan λ adalah muatan elektron dan panjang gelombang iluminasi, masing-masing. Saat panjang gelombang lebih panjang dari 290 nm, responsivitas foto kurang dari 1 × 10⁻³, yang menunjukkan selektivitas spektral yang jauh lebih baik dalam perangkat hibrid β-Ga2O3. Pada saat yang sama, rasio penolakan R254 nm/R400 nm ditetapkan sebesar 1,26 × 10³. Dibandingkan dengan fotodetektor Ga2O3 anorganik yang dilaporkan [43,44,45,46,47,48,49], perangkat hibrid memiliki responsivitas foto yang lebih tinggi, kecepatan respons yang lebih cepat, dan rasio penolahan UV/visibel yang lebih besar, yang mengindikasikan fotodetektor solar blind yang berjanji dengan performa tinggi.

Kesimpulan

Kami telah membuat dioda barrier Schottky hibrid PEDOT:PSS/β-Ga2O3. Tinggi barrier Schottky ϕb dan faktor idealitas n adalah bergantung suhu, yang menunjukkan bahwa tinggi barrier Schottky tidak homogen di antarmuka PEDOT:PSS/β-Ga2O3. Tinggi barrier rata-rata dan simpangan baku dapat dievaluasi sebesar 1,57 eV dan 0,212 eV, masing-masing, berdasarkan model distribusi tinggi barrier Gaussian. Selain itu, karakteristik fotodetektor barrier Schottky DUV PEDOT:PSS/β-Ga2O3 juga ditelisteni. Responsivitas lebih tinggi sebesar 0,6 A/W, rasio penolahan R254 nm/R400 nm = 1,26 × 10³, EQE sebesar 3,16 × 10⁴% dan kecepatan respons yang lebih cepat kurang dari 320 ms tercapai, yang menunjukkan bahwa dioda barrier Schottky hibrid dapat digunakan sebagai sakit optik DUV atau fotodetektor.

Ketersediaan Data dan Bahan

Semua data tersedia dari penulis atas permintaan yang wajar.

Singkatan

AFM:

Mikroskop Gaya Atom

DUV:

Ultraviolet Dalam

EQE:

Efisiensi Kuantum Eksternal

FWHM:

Lebar Setengah Maksimum

HRTEM:

Mikroskop Transmisi Elektron Resolusi Tinggi

LUMO:

Orbital Molekuler Tidak Terisi Terendah

PDCR:

Rasio Arus Foto ke Arus Gelap

RMS:

Akar Rata-Rata Kuadrat

SBDs:

Dioda Barrier Schottky

TE:

Emisi Termal