混合 PEDOT:PSS/β-Ga2O3 深紫外肖特基势垒光电探测器的研究

介绍

许多研究小组都非常关注 β-Ga2O3 的新型超宽带隙半导体作为深紫外 (DUV) 光电探测器 [1,2,3,4,5,6,7]、高压和高压的潜在材料。功率器件具有宽带隙 (4.8-4.9 eV)、高击穿电场 (8 MV/cm) 和化学稳定性 [8,9,10,11]。此外，由于其沿 [100] 方向的大晶格常数的独特性质，很容易将 β-Ga2O3 裂解成纳米膜或薄带 [12, 13]。各种金属，如 Cu [14]、Pd [ 15]、Pt [11, 16,17,18,19]、Au [15, 20]、Ni [16, 21,22,23] 和 TiN [18] 用于研究 β- Ga2O3 肖特基势垒二极管 (SBD)。然而，用一些聚合物制成的肖特基二极管及其电气特性尚未见报道。在所有有机材料中，PEDOT:PSS 是透明空穴导电聚合物之一，其电导率高达 500 S/cm，功函数高达 5.0 ~ 5.3 eV，接近于 Au 和 Ni [23,24,25 ]。此外，PEDOT:PSS 薄膜只能通过旋涂到基板上并随后在空气中烘烤来形成。关于PEDOT:PSS在ZnO单晶衬底和GaN外延层上的透明肖特基接触有一些研究，表现出良好的整流特性和光电或光伏特性[26,27,28,29]。

在这项工作中，混合肖特基二极管是用 PEDOT:PSS 聚合物和从高质量 β-Ga2O3 衬底机械剥离的 β-Ga2O3 薄片制造的。在 298 K 和 423 K 之间的温度范围内研究了二极管的电气特性。此外，还进行了紫外线照射下的 I-V 测量，测量了响应度，并分析了光电流的瞬态行为。

实验方法

在电子浓度为 7 × 10 ¹⁶ 的 (100) β-Ga2O3 衬底上机械剥离厚度为 15-25 μm 的 β-Ga2O3 薄片 厘米 ⁻³ .由于电子密度比 [30] 中沉积在蓝宝石衬底上的无意掺杂的 Ga2O3 外延层高 2-3 个数量级，并且本文使用了高导电性 PEDOT:PSS 薄膜，因此在 [30] 中形成了 pn 异质结。 30] 而肖特基结是在这篇论文中形成的 [30]。图 1a 显示了混合 PEDOT:PSS/β-Ga2O3 肖特基二极管的示意图。 β-Ga2O3 薄片在丙酮、乙醇和去离子水中用超声波搅拌清洗，然后浸入 HF:H2O (1:10) 溶液中以去除表面氧化物。然后，在整个背面进行 Ti/Au(20 nm/100 nm) 金属叠层的沉积，并在 470 °C 和 N2 气氛下进行 60 s 的快速热处理，以降低欧姆接触电阻。在β-Ga2O3薄片表面旋涂3次后，将PEDOT:PSS置于电热板上于150℃烘烤，烘烤时间为15min。随后，获得了面积为 1 mm × 2 mm 的隔离器件。从图 1b 的 HRTEM 图像中，我们可以观察到原子排列规则，并且存在很少的原子列错位，表明 β-Ga2O3 薄片的晶体质量很高。如图 1c、d 所示，HRXRD 的 FWHM 约为 35.3 arcsec，均方根 (RMS) 估计为 0.19 nm，显示出优异的晶体质量和光滑的表面。

混合 PEDOT:PSS/β-Ga2O3 肖特基二极管的示意图 (a ), HRTEM 图像 (b ), (400) 面的 HRXRD 摇摆曲线 (c ), 从 β-Ga2O3 衬底通过机械剥离获得的 β-Ga2O3 薄片的 AFM 图像，显示出高晶体质量和光滑表面 (d )

结果与讨论

I-V 特性和屏障高度

如图 2a 所示，当温度从 298 K 变为 423 K 时，研究了混合 PEDOT:PSS/β-Ga2O3 肖特基势垒二极管的 I-V 特性。电流随温度和半对数单调增加I-V 曲线在正向偏压小于 1.5 V 时呈现线性行为。随着正向偏压进一步增加，半对数 I-V 曲线的斜率逐渐减小，正向电流接近 6 ~ 8 × 10 ⁻⁴ A，表示串联电阻导致 I-V 曲线偏离线性。此外，反向漏电流小于10 ^-9 A at – 3 V，以及 I 在/我 关闭比高达 10 ⁶ 在室温下，显示出与无机 β-Ga2O3 肖特基二极管一样好的整流行为 [11,12,13,14,15]。

PEDOT:PSS/β-Ga2O3 SBD 的温度相关 I-V 特性从 298 到 423 K (a ) 和肖特基势垒高度 ϕ b 和理想因子 n 杂化 β-Ga2O3 SBD (b )

根据方程 \( I={I}_s\left\{\exp \left[\frac{q\left(V-{IR}_s\right)}{nkT}\right]-1\right\} \) 其中 V 是偏置电压，T 和 k 分别是绝对温度和玻尔兹曼常数。理想因子n 和反向饱和电流I s 可以从 y 中提取 - 轴截距和不同温度下半对数 I-V 曲线的线性外推的斜率。虽然理想因子 n 理想肖特基二极管的值等于 1，但在实际器件中总是在一定程度上大于 1。当 n 时，热辐射 (TE) 模型的偏差变得更大 增加。根据表达式 \( {\phi}_b=\frac{kT}{q}\ln \left[\frac{AA^{\ast }{T}^2}{I_s}\right] \)，我们可以获得肖特基势垒高度ϕ b 在不同温度下，如图 2b 所示。温度升高导致ϕ b 从 0.71 eV 增加到 0.84、0.87、0.90、0.93 和 0.96 eV 而 n 从 4.27 减少到 3.42、3.35、3.29、3.06 和 2.86。对于 n 远大于 1，表明其他传导机制，例如场效应或热场效应，有助于电流传输并导致纯 TE 模型与 I-V 特性之间的差异，这已在宽带隙 SBD 中得到说明，包括氮化镓和碳化硅 [31,32,33,34]。

对于φ b 和 n 是温度相关的，在 PEDOT:PSS 和 β-Ga2O3 界面应考虑势垒高度的不均匀性。考虑到势垒高度的高斯分布，非均匀势垒高度可以描述为 \( {\phi}_b=\overline{\phi_{b0}}\left(T=0\right)-\frac{q{\ sigma}_s^2}{2 kT} \) 和 n 的变化 T 由 \( \left(\frac{1}{n}-1\right)={\rho}_2-\frac{q{\rho}_3}{2 kT} \) 给出，其中 \( \overline {\phi_{b0}} \) 和 σ s 分别是平均障碍高度和标准偏差，ρ 2 和 ρ 图3是温度相关电压系数，肖特基势垒高度（SBH）分布的电压变形由它们量化（图3a）。 \( \overline{\phi_{b0}} \) 和 σ s 可以从截距和 ϕ 的斜率计算 b 对比 q /2kT 曲线，分别约为 1.57 eV 和 0.212 eV。同时，ρ 2 和 ρ 从 (1/n − 1) 对比 q /2kT 阴谋。与\( \overline{\phi_{b0}} \)相比，σ s 不小，说明PEDOT:PSS/β-Ga2O3界面存在势垒不均匀性[35]。

SBH ϕ 的变化 b 和 (n ⁻¹ − 1) 使用 q /2KT 曲线，\( \overline{\phi_{b0}} \) 和 σ s 可以获得 (a ), 修改 \( \ln \left({I}_{\mathrm{s}}/{T}^2\right)-\left({q}^2{\sigma}_{\mathrm{s} }^2/2{k}^2{T}^2\right) \) 对比 1000/T 情节 (b )

通过考虑势垒高度的不均匀性，反向饱和电流I之间的关系 s 并且平均障碍高度 \( \overline{\phi_{b0}} \) 可以修改为 \( \mathrm{In}\left(\frac{I_s}{T^2}\right)-\left(\ frac{q^2{\sigma_s}^2}{2{k}^2{T}^2}\right)=\mathrm{In}\left({AA}^{\ast}\right)-\ frac{q\overline{\phi_{b0}}}{kT} \)。从图 3b 可以看出，\( \ln \left({I}_{\mathrm{s}}/{T}^2\right)-\left({q}^2{ \sigma}_{\mathrm{s}}^2/2{k}^2{T}^2\right) \) 与 1/kT 是一条直线，我们可以从中提取有效的理查森常数 A ^* 3.8 A cm ⁻² K ⁻² , 比理查森理论常数 40.8 A cm ⁻² 小一个数量级 K ⁻² β-Ga2O3 有效质量为 m * =0.34 m0 [36, 37]。因此，温度相关的 ϕ b 和 n ，换句话说，SBHs上势垒的高斯分布可以用来解释PEDOT:PSS/β-Ga2O3界面的势垒不均匀性。

紫外光电探测器的特性

如上所述，混合β-Ga2O3肖特基二极管表现出良好的整流特性； I 的比例 在/我 折扣高达 10 ⁶ 在室温下处于暗状态。较低的暗电流I 9.4 nA@V 的暗 偏置 =- 4 V 可以从图 4a 中确定，表明较低的噪声特性。而在254 nm波长的法向入射光密度为150 μW/cm ² , 光电流 I 照片达到 112 nA@V 偏置 =− 4 V。此外，光电探测器在 0 V 和开路电压 (V oc) 为 0.15 V，远小于参考文献 [38] 中的 0.9 V，这可能归因于载流子密度差异和由此产生的费米能级变化。图4b表示线性I 照片与 V 各种P的偏差 光。设备显示I的依赖 P 上的照片 光和我 照片随着 P 非线性增加 光，换句话说，在不同的 V 偏差，I 的图 照片对比 P 光表现出明显的超线性行为，如图 4c 所示。为了阐明超线性行为的机制，图 4e 显示了接触前 PEDOT:PSS 和 β-Ga2O3 的能量图。 β-Ga2O3 的电子亲和势和带隙分别为 4.0 eV 和 4.9 eV。最低未占据分子轨道 (LUMO) 为 3.3 eV，而 PEDOT:PSS 的最高占据分子轨道为 5.2 eV [39]。当它们接触时，形成了肖特基势垒。当器件被照亮并在肖特基二极管的电极上施加反向偏压时，光生电子-空穴对被电场迅速分离，空穴漂移到阳极，而电子流向阴极，如图所示图 4f。由于在 PEDOT:PSS/β-Ga2O3 界面存在陷阱，空穴被困在界面态并产生净正电荷，降低了有效肖特基势垒高度，更多的载流子流过肖特基结，提高了我 照片。图 4d 显示了不同 P 下的光暗电流比（PDCR）曲线 光。随着电压偏置从

光电流I之间的关系 照片@150 μW/cm ² , 暗电流 I 暗和偏置电压 V 偏差 (a ), I 的图 照片与 V 不同P下的偏差 光 (b ), 线性 I 照片作为 P 的函数 光 (c )，不同P下的光暗电流比(PDCR)曲线 光 (d )，接触前 PEDOT:PSS 和 β-Ga2O3 的能带图 (e )、PEDOT:PSS和β-Ga2O3在接触后反向偏压下的能带图，实线和虚线分别表示不加电压和有反向偏压的情况(f )

0V 到 − 1.2V，PDCR 逐渐增加，然后随着偏压变得更负而减小，在 V 上实现了高于 20 的更高 PDCR − 1.2 V 和 P 的偏置 150 μW/cm ² .

利用周期为10 s的方波光在V下研究了混合光电探测器的瞬态光响应特性 − 1.2 V 和 P 的偏置 150 μW/cm ² .经过几个照明周期后，器件达到稳定的导通状态I 在给定的 P 上的照片 光和 V 偏差，如图 5a 所示。上升时间和衰减时间分别为 319 ms 和 270 ms [40, 41]，远小于在外延 β-Ga2O3 薄膜或 β-Ga2O3 薄片上制造的器件 [35, 42, 43] 但比数据长在 [31]。由于[31]中存在双异质结，PEDOTT:PSS/Ga2O3上结和Ga2O3/p-Si下结，双内建电场比PEDOTT:PSS能更有效地分离光生载流子/Ga2O3 结在本文中。因此，[31]中的缺陷可以捕获更少的载流子，从而导致更短的上升时间和衰减时间。此外，从较低的P楔形头的光响应曲线的形状可以观察到超调特征 150 μW/cm ² 比发生在 P 600 μW/cm ² 的光 在[30]中用于在-1.2 V而不是0 V的反向偏压下有效收集光生载流子。

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多循环 (a ) 和单循环 (b ) 的时间依赖 I 在 V 处混合 PEDOT:PSS/β-Ga2O3 肖特基势垒光电探测器的照片 偏置 =− 1.2 V，上升时间和衰减时间分别确定为 319 ms 和 270 ms

图 6 描绘了响应特性与照明光学 λ 在 V 下 − 1.2 V 的偏置。最大响应度 R 在 λ 处达到最大 0.62 A/W 244 nm 和相应的外量子效率 (EQE) 为 3.16 × 10 ² % 由表达式 EQE =hcR 计算 最大值/(eλ )，远高于 [30, 38] 中获得的光生载流子的有效收集，其中 R max 是峰值响应度，h 是普朗克常数。 e 和 λ 分别是电荷和照射波长。由于波长大于290nm，光响应度低于1×10 ^-3 ，说明混合 β-Ga2O3 器件具有更好的光谱选择性。同时，R的拒绝率 254 纳米/R 400 nm 确定为 1.26 × 10 ³ .与报道的无机 Ga2O3 光电探测器 [43,44,45,46,47,48,49] 相比，该混合器件具有更高的光响应性、更快的响应速度和更大的紫外/可见光抑制比，这意味着具有高性能。

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V 下 PEDOT:PSS/Ga2O3 混合光电探测器的响应度与波长的关系 偏置 =-1.2 V