Fotodetectores Schottky de ultravioleta profundo híbridos PEDOT:PSS/β-Ga₂O₃: Análisis de rendimiento dependiente de temperatura

Resumen

En este artículo, diodos Schottky híbridos β-Ga₂O₃ se fabricaron con PEDOT:PSS como ánodo. Las características eléctricas se investigaron al cambiar temperatura 298 K a 423 K. La altura de barrera φ_b aumenta y el factor de idealidad n disminuye al aumentar temperatura, indicando presencia de inhomogeneidad de altura de barrera entre interfaz polímero/β-Ga₂O₃. La altura de barrera media y desviación estándar son 1,57 eV y 0,212 eV respectivamente, considerando modelo distribución gaussiana de altura de barrera. Además, se obtiene velocidad respuesta relativamente rápida <320 ms, alta responsividad 0,6 A/W, y relación rechazo R₂₅₄nm/R₄₀₀nm hasta 1,26×10³, sugiriendo diodos barrera Schottky híbridos PEDOT:PSS/β-Ga₂O₃ pueden usarse como interruptores ópticos o fotodetectores ultravioleta profundo (DUV).

Introducción

Muchos grupos de investigación han prestado mucha atención a nuevo semiconductor de banda prohibida ultra-ancha β-Ga₂O₃ como material potencial para fotodetectores ultravioleta profundo (DUV), dispositivos alto voltaje y alta potencia por su banda prohibida ancha (4,8-4,9 eV), alto campo ruptura eléctrico (8 MV/cm) y estabilidad química. Además, es simple exfoliar β-Ga₂O₃ en nanomembranas o cintas delgadas por su propiedad única de gran constante red dirección [100]. Varios metales como Cu, Pd, Pt, Au, Ni, TiN se usaron para investigar características eléctricas diodos barrera Schottky (SBD) β-Ga₂O₃. Sin embargo, diodos Schottky fabricados con algún polímero y características eléctricas no se han reportado. Entre todos materiales orgánicos, PEDOT:PSS es uno de los polímeros conductores de huecos transparentes, con conductividad hasta 500 S/cm y función trabajo 5,0-5,3 eV, cercano a Au y Ni. Además, película PEDOT:PSS formable solo por spin-coating sobre sustrato y horneado posterior en aire. Hay investigaciones sobre contacto Schottky transparente PEDOT:PSS sustrato ZnO monocristalino y epicala GaN, exhibiendo buenas propiedades rectificadoras y características fotoeléctricas o fotovoltaicas.

En este trabajo, diodo Schottky híbrido fabricado con polímero PEDOT:PSS y escamas β-Ga₂O₃ exfoliadas mecánicamente de sustrato β-Ga₂O₃ alta calidad. Características eléctricas diodos investigadas región temperatura 298-423 K. Además, mediciones I-V bajo iluminación UV realizadas, responsividad medida, y comportamiento transitorio fotocorriente analizado.

Métodos experimentales

Escamas β-Ga₂O₃ espesores 15-25 μm exfoliadas mecánicamente de sustrato β-Ga₂O₃ (100) con concentración electrónica 7×10¹⁶ cm⁻³. Como densidad electrónica 2-3 órdenes magnitud mayor que Ga₂O₃ dopado intencionalmente epilayer depositado sustrato zafiro en [30] y películas PEDOT:PSS altamente conductoras usadas aquí, unión pn heterounión formada en [30] mientras unión Schottky formada en este trabajo. Fig. 1a muestra diagrama esquemático diodo Schottky híbrido PEDOT:PSS/β-Ga₂O₃. Escamas β-Ga₂O₃ limpiadas acetona, etanol, agua desionizada con agitación ultrasónica e inmersas solución HF:H₂O (1:10) eliminar óxidos superficie. Luego, deposición pila metal Ti/Au (20 nm/100 nm) en toda cara posterior, y procesamiento térmico rápido 470 °C atmósfera N₂ 60 s para disminuir resistencia contacto óhmico. Tras spin-coating tres veces sobre superficie escama β-Ga₂O₃, PEDOT:PSS horneado placa caliente eléctrica 150 °C, duración horneado 15 min. Posteriormente, dispositivos aislados área 1 mm×2 mm obtenidos. Imagen HRTEM Fig. 1b muestra átomos regularmente dispuestos y pocas desalineaciones columnas atómicas, indicando alta calidad cristalina escama β-Ga₂O₃. Fig. 1c,d: FWHM HRXRD ~35,3 arcsec, rugosidad cuadrática media (RMS) estimada 0,19 nm, ilustrando calidad cristalina superior y superficie lisa.

Resultados y discusión

Características I-V y altura de barrera

Como presenta Fig. 2a, características I-V diodos barrera Schottky híbridos PEDOT:PSS/β-Ga₂O₃ investigadas temperatura 298-423 K. Corriente aumenta monótonamente con temperatura y curvas I-V semi-log muestran comportamiento lineal sesgo directo <1,5 V. Al aumentar más sesgo directo, pendiente curvas I-V semi-log reduce gradualmente, y corriente directa se acerca 6-8×10⁻⁴ A, indicando resistencia serie causa desviación linealidad curva I-V. Además, corriente fuga inversa <10⁻⁹ A a -3 V, y ratio I_on/I_off hasta 10⁶ a temperatura ambiente, ilustrando comportamiento rectificador tan bueno como diodos Schottky β-Ga₂O₃ inorgánicos.

Según ecuación I=I_s{exp[q(V-IR_s)/nkT]-1} donde V sesgo, T y k temperatura absoluta y constante Boltzmann. Factor idealidad n y corriente saturación inversa I_s extraíbles interceptos eje y y pendientes extrapolación lineal curvas I-V semi-log diferentes temperaturas. Aunque factor idealidad n diodo Schottky ideal =1, siempre >1 en dispositivo real. Desviación modelo emisión térmica (TE) se vuelve mayor al aumentar n. Según expresión φ_b=(kT/q)ln[AA*T²/I_s], obtenemos altura barrera Schottky φ_b diferentes temperaturas, Fig. 2b. Aumento temperatura causa φ_b aumentar 0,71 eV a 0,84, 0,87, 0,90, 0,93, 0,96 eV mientras n disminuye 4,27 a 3,42, 3,35, 3,29, 3,06, 2,86. Para n>>1, sugiriendo otros mecanismos conducción, como efecto campo o efecto campo térmico, contribuyendo transporte corriente y resultando diferencia entre modelo TE puro y características I-V, ilustrado en SBD banda ancha incluyendo GaN y SiC.

Para φ_b y n dependientes temperatura, inhomogeneidad altura barrera debe considerarse interfaz PEDOT:PSS/β-Ga₂O₃. Considerando distribución gaussiana altura barrera, altura barrera inhomogénea describible como φ_b=φ_b0(T=0)-qσ_s²/2kT y variación n con T dada por (1/n-1)=ρ₂-qρ₃/2kT, donde φ_b0 y σ_s altura barrera media y desviación estándar, ρ₂ y ρ₃ coeficientes voltaje dependientes temperatura, cuantificando deformación voltaje distribución altura barrera Schottky (SBH) (Fig. 3a). φ_b0 y σ_s calculables intercepto y pendiente curva φ_b vs q/2kT, ~1,57 eV y 0,212 eV respectivamente. Simultáneamente, ρ₂ y ρ₃ evaluados 0,4 eV y 0,02 eV intercepto y pendiente gráfica (1/n-1) vs q/2kT. Comparado con φ_b0, σ_s no pequeño, ilustrando existencia inhomogeneidad barrera interfaz PEDOT:PSS/β-Ga₂O₃.

Considerando inhomogeneidad altura barrera, relación entre corriente saturación inversa I_s y altura barrera media φ_b0 modificable como ln(I_s/T²)-(q²σ_s²/2k²T²)=ln(AA*)-qφ_b0/kT. Se discierne Fig. 3b gráfica ln(I_s/T²)-(q²σ_s²/2k²T²) vs 1/kT es línea recta, de la cual extraemos constante Richardson efectiva A*=3,8 A·cm⁻²·K⁻², un orden magnitud menor constante Richardson teórica 40,8 A·cm⁻²·K⁻² con masa efectiva β-Ga₂O₃ m*=0,34 m₀. Así, φ_b y n dependientes temperatura, es decir, distribución gaussiana barreras sobre SBH, explican inhomogeneidad barrera interfaz PEDOT:PSS/β-Ga₂O₃.

Características fotodetector UV

Como descrito, diodo Schottky híbrido β-Ga₂O₃ exhibe buenas características rectificadoras; ratio I_on/I_off hasta 10⁶ estado oscuro temperatura ambiente. Corriente oscura I_dark baja 9,4 nA@V_bias=-4 V determinable Fig. 4a, indicando característica bajo ruido. Bajo incidencia normal longitud onda 254 nm fotodensidad 150 μW/cm², fotocorriente I_photo alcanza 112 nA@V_bias=-4 V. Además, fotodetector muestra débil efecto fotovoltaico con fotocorriente 0,45 nA a 0 V y voltaje circuito abierto (V_oc) 0,15 V, mucho menor 0,9 V referencia [38], atribuible diferencia densidad portadores y variación nivel Fermi resultante. Fig. 4b representa I_photo lineal vs V_bias varios P_light. Dispositivo muestra dependencia I_photo en P_light, e I_photo aumenta no-linealmente con P_light, es decir, a diferentes V_bias, gráficas I_photo vs P_light demuestran comportamiento superlineal obvio, Fig. 4c. Para elucidar mecanismo comportamiento superlineal, Fig. 4e presenta diagrama energético PEDOT:PSS y β-Ga₂O₃ antes contacto. Afinidad electrónica y banda prohibida β-Ga₂O₃ son 4,0 eV y 4,9 eV respectivamente. Orbital molecular no ocupado más bajo (LUMO) 3,3 eV, y orbital molecular ocupado más alto (HOMO) PEDOT:PSS 5,2 eV. Al contactar, barrera Schottky formada. Cuando dispositivo iluminado y sesgo inverso aplicado electrodos diodos Schottky, pares electrón-hueco fotogenerados separados rápidamente por campo eléctrico y huecos derivan a ánodo mientras electrones a cátodo, Fig. 4f. Por presencia trampas interfaz PEDOT:PSS/β-Ga₂O₃, huecos atrapados estados interfaz producen cargas netas positivas, reduciendo altura barrera Schottky efectiva, más portadores fluyendo unión Schottky, mejorando I_photo. Fig. 4d presenta curvas ratio fotocorriente-corriente oscura (PDCR) diferentes P_light. Al desplazarse sesgo voltaje 0 V a -1,2 V, PDCR aumenta gradualmente y luego disminuye volviéndose sesgo más negativo, PDCR >20 logrado V_bias -1,2 V y P_light 150 μW/cm².

Características fotorespuesta dependientes tiempo fotodetector híbrido estudiadas usando luz onda cuadrada período 10 s bajo V_bias -1,2 V y P_light 150 μW/cm². Tras varios ciclos iluminación, dispositivos alcanzan I_photo estado on estable dado P_light y V_bias, Fig. 5a. Tiempo subida y decaimiento 319 ms y 270 ms respectivamente, mucho menores dispositivos fabricados películas epitaxiales β-Ga₂O₃ o escamas β-Ga₂O₃ pero mayores datos [31]. Por existencia doble heterounión en [31], unión superior PEDOT:PSS/Ga₂O₃ e inferior Ga₂O₃/p-Si, portadores fotogenerados separados más eficazmente por dobles campos eléctricos internos que solo unión PEDOT:PSS/Ga₂O₃ este trabajo. Por tanto, menos portadores capturados defectos en [31], resultando tiempos subida y decaimiento menores. Además, característica sobrepaso observable formas curvas fotorespuesta con cabeza cuneiforme a menor P_light 150 μW/cm² que ocurrido 600 μW/cm² en [30] por recolección eficaz portadores fotogenerados bajo sesgo inverso -1,2 V en vez 0 V.

Fig. 6 muestra características responsividad vs longitud onda iluminación óptica λ bajo V_bias -1,2 V. Máxima responsividad R_max 0,62 A/W lograda λ 244 nm y correspondiente eficiencia cuántica externa (EQE) 3,16×10²% calculada expresión EQE=hcR_max/(eλ), mucho mayor que [30, 38] por recolección eficaz portadores fotogenerados, donde R_max responsividad pico, h constante Planck. e y λ carga electrónica y longitud onda iluminación respectivamente. Longitud onda >290 nm, fotoresponsividad <1×10⁻³, ilustrando selectividad espectral mucho mejor dispositivos híbridos β-Ga₂O₃. Simultáneamente, ratio rechazo R₂₅₄nm/R₄₀₀nm determinado 1,26×10³. Comparado fotodetectores Ga₂O₃ inorgánicos reportados, dispositivo híbrido posee mayor fotoresponsividad, mayor velocidad respuesta y mayor ratio rechazo UV/visible, implicando fotodetectores ciego solar prometedores alto rendimiento.

Conclusiones

Hemos fabricado diodo barrera Schottky híbrido PEDOT:PSS/β-Ga₂O₃. Altura barrera Schottky φ_b y factor idealidad n dependientes de temperatura, indicando altura barrera Schottky inhomogénea interfaz PEDOT:PSS/β-Ga₂O₃. Altura barrera media y desviación estándar evaluables 1,57 eV y 0,212 eV respectivamente, basado modelo distribución gaussiana altura barrera. Además, características fotodetectores Schottky barrera DUV PEDOT:PSS/β-Ga₂O₃ investigadas. Mayor responsividad 0,6 A/W, ratio rechazo R₂₅₄nm/R₄₀₀nm=1,26×10³, EQE 3,16×10⁴% y velocidad respuesta <320 ms logrados, sugiriendo diodos barrera Schottky híbridos usables como interruptores ópticos o fotodetectores DUV.