하이브리드 PEDOT:PSS/β-Ga2O3 심자외선 쇼트키 장벽 광검출기의 조사

결과 및 토론

I–V 특성 및 장벽 높이

그림 2a와 같이 하이브리드 PEDOT:PSS/β-Ga₂의 I-V 특성 O₃ 쇼트키 배리어 다이오드는 온도가 298K에서 423K로 변할 때 조사되었습니다. 전류는 온도에 따라 단조롭게 증가하고 세미 로그 I-V 곡선은 1.5V 미만의 순방향 전압 바이어스로 선형 동작을 보여줍니다. 순방향 바이어스 전압이 더 증가하면 semi-log I-V 곡선의 기울기가 점차 감소하고 순방향 전류는 6 ~ 8 × 10 ⁻⁴ 에 접근합니다. A, 직렬 저항이 선형성에서 벗어나는 I-V 곡선을 유발함을 나타냅니다. 또한 역 누설 전류는 10 ⁻⁹ 미만입니다. A at – 3 V 및 I _켜기 /나 _꺼짐 비율은 최대 10 ⁶ 입니다. 실온에서 무기 β-Ga₂만큼 우수한 정류 거동을 보여줍니다. O₃ 쇼트키 다이오드[11,12,13,14,15].

PEDOT:PSS/β-Ga₂의 온도 의존 I-V 특성 O₃ 298 ~ 423K의 SBD(a ) 및 쇼트키 장벽 높이 ϕ _b 및 이상 요소 n 하이브리드 β-Ga₂ O₃ SBD(b )

방정식에 따르면 \( I={I}_s\left\{\exp \left[\frac{q\left(V-{IR}_s\right)}{nkT}\right]-1\right\} \) 여기서 V 바이어스 전압, T 그리고 k 는 각각 절대 온도와 볼츠만 상수입니다. 이상 요소 n 및 역 포화 전류 I _s y에서 추출할 수 있습니다. -축 절편 및 서로 다른 온도에서 semi-log I-V 곡선의 선형 외삽 기울기. 비록 이상 요인 n 이상적인 쇼트키 다이오드의 값은 1과 같으며 실제 장치에서는 항상 1보다 어느 정도 더 큽니다. 열 방출(TE) 모델의 편차는 n으로 훨씬 커집니다. 증가합니다. 식 \( {\phi}_b=\frac{kT}{q}\ln \left[\frac{AA^{\ast }{T}^2}{I_s}\right] \)에 따르면, 쇼트키 장벽 높이 ϕ를 얻을 수 있습니다. _b 그림 2b와 같이 다른 온도에서. 온도가 증가하면 ϕ가 발생합니다. _b n 동안 0.71 eV에서 0.84, 0.87, 0.90, 0.93 및 0.96 eV로 증가 4.27에서 3.42, 3.35, 3.29, 3.06, 2.86으로 감소합니다. n 동안 1보다 훨씬 크면 전계 효과 또는 열 전계 효과와 같은 다른 전도 메커니즘을 제안하여 전류 전송에 기여하고 넓은 밴드갭 SBD에 설명된 순수 TE 모델과 I-V 특성 간의 차이를 초래합니다. GaN 및 SiC 포함 [31,32,33,34].

ϕ의 경우 _b 그리고 n 온도에 따라 다르므로 PEDOT:PSS 및 β-Ga₂에서 장벽 높이의 불균일성을 고려해야 합니다. O₃ 상호 작용. 장벽 높이의 가우시안 분포를 고려하면 비균질 장벽 높이는 \( {\phi}_b=\overline{\phi_{b0}}\left(T=0\right)-\frac{q{\ sigma}_s^2}{2 kT} \) 및 n의 변형 T와 함께 \( \left(\frac{1}{n}-1\right)={\rho}_2-\frac{q{\rho}_3}{2 kT} \)로 주어지며, 여기서 \( \overline {\phi_{b0}} \) 및 σ _s 각각 평균 ​​장벽 높이와 표준 편차, ρ ₂ 및 ρ ₃ 는 온도 의존적 ​​전압 계수이며 쇼트키 장벽 높이(SBH) 분포의 전압 변형은 이에 의해 정량화되었습니다(그림 3a). \( \overline{\phi_{b0}} \) 및 σ _s 절편과 ϕ의 기울기에서 계산할 수 있습니다. _b 대 q /2kT 곡선, 각각 약 1.57 eV 및 0.212 eV. 동시에, ρ ₂ 및 ρ ₃ (1/n의 절편과 기울기에서 0.4 eV 및 0.02 eV로 평가됩니다. − 1) 대 q /2kT 구성. \( \overline{\phi_{b0}} \)와 비교하여 σ _s PEDOT:PSS/β-Ga₂에서 장벽 불균일성의 존재를 보여주는 작지 않음 O₃ 인터페이스 [35].

SBH ϕ의 변형 _b 그리고 (n ⁻¹ − 1) q 사용 /2KT 곡선, \( \overline{\phi_{b0}} \) 및 σ _s 얻을 수 있습니다 (a ), 수정된 \( \ln \left({I}_{\mathrm{s}}/{T}^2\right)-\left({q}^2{\sigma}_{\mathrm{s} }^2/2{k}^2{T}^2\right) \) 대 1000/T 줄거리(b )

장벽 높이 불균일성을 고려하여 역포화전류 I _s 평균 장벽 높이 \( \overline{\phi_{b0}} \)는 \( \mathrm{In}\left(\frac{I_s}{T^2}\right)-\left(\ frac{q^2{\sigma_s}^2}{2{k}^2{T}^2}\right)=\mathrm{In}\left({AA}^{\ast}\right)-\ frac{q\overline{\phi_{b0}}}{kT} \). 그림 3b에서 \( \ln \left({I}_{\mathrm{s}}/{T}^2\right)-\left({q}^2{ \sigma}_{\mathrm{s}}^2/2{k}^2{T}^2\right) \) 대 1/kT 유효 Richardson 상수 A를 추출할 수 있는 직선입니다. ^* 3.8A cm ⁻² K ⁻² , 40.8A cm ⁻² 의 이론적인 Richardson 상수보다 한 차원 더 작은 크기 K ⁻² β-Ga₂ O₃ m의 유효 질량 * =0.34m₀ [36, 37]. 따라서 온도 의존 ϕ _b 그리고 n 즉, SBH에 대한 장벽의 가우스 분포는 PEDOT:PSS/β-Ga₂에서 장벽의 불균일성을 설명하는 데 사용할 수 있습니다. O₃ 인터페이스.

UV 광검출기의 특성

위에서 설명한 것처럼 하이브리드 β-Ga₂ O₃ 쇼트키 다이오드는 좋은 정류 특성을 나타냅니다. 나의 비율 _켜기 /나 _꺼짐 최대 10 ⁶ 실온에서 어두운 상태. 낮은 암전류 I _어두운 9.4 nA@V _편견 =− 4 V는 그림 4a에서 확인할 수 있으며 이는 더 낮은 노이즈 특성을 나타냅니다. 광밀도가 150μW/cm ² 인 254nm 파장의 수직 입사 조건에서 , 광전류 나 _사진 112 nA@V에 도달 _편견 =− 4 V. 또한, 광검출기는 0 V에서 0.45 nA의 광전류와 개방 회로 전압(V _oc ) 0.15V, 참조 [38]에서 0.9V보다 훨씬 작습니다. 이는 캐리어 밀도 차이와 결과적인 페르미 준위 변동에 기인할 수 있습니다. 그림 4b는 선형 I를 나타냅니다. _사진 대 V _편견 다양한 P에서 _빛 . 장치는 I의 의존성을 보여줍니다. _사진 P에서 _빛 , 그리고 나 _사진 P와 함께 비선형적으로 증가합니다. _빛 , 즉, 다른 V에서 _편견 나의 줄거리 _사진 대 P _빛 그림 4c와 같이 명백한 초선형 거동을 보여줍니다. 초선형 거동의 메커니즘을 설명하기 위해 그림 4e는 PEDOT:PSS와 β-Ga₂의 에너지 다이어그램을 제시합니다. O₃ 연락하기 전에. β-Ga₂의 전자 친화도와 밴드갭 O₃ 각각 4.0 eV 및 4.9 eV입니다. 가장 낮은 비점유 분자 궤도(LUMO)는 3.3 eV이고, PEDOT:PSS의 가장 높은 점유 분자 궤도는 5.2 eV이다[39]. 그들이 접촉하게 되면서 쇼트키 장벽이 형성되었습니다. 소자가 조명되고 쇼트키 다이오드의 전극에 역 바이어스가 인가되면 광 생성된 전자-정공 쌍은 전기장에 의해 빠르게 분리되고 정공은 양극으로, 전자는 음극으로 이동합니다. 그림 4f. PEDOT에 트랩이 있는 경우:PSS/β-Ga₂ O₃ 계면에서 정공은 계면 상태에서 트랩되고 순 양전하를 생성하여 효과적인 쇼트키 장벽 높이를 줄이고 쇼트키 접합을 가로질러 흐르는 더 많은 캐리어를 감소시키며 I _사진 . 그림 4d는 다양한 P에서 PDCR(Photo to Dark Current Ratio) 곡선을 나타냅니다. _빛 . 전압 바이어스가

광전류 나의 관계 _사진 @150μW/cm ² , 암전류 나 _어두운 , 바이어스 전압 V _편견 (아 ), 나의 플롯 _사진 대 V _편견 다른 P 아래 _빛 (b ), 선형 나 _사진 P의 함수로 _빛 (ㄷ ), 다양한 P에서 PDCR(Photo to Dark Current Ratio)의 곡선 _빛 (d ), PEDOT:PSS 및 β-Ga₂의 밴드 다이어그램 O₃ 연락하기 전에(e ), PEDOT:PSS 및 β-Ga₂의 밴드 다이어그램 O₃ 접촉 후 역 바이어스에서 전압이 인가되지 않은 상태와 역 바이어스가 있는 상태는 각각 실선과 파선으로 표시됩니다(f )

0V ~ -1.2V에서 PDCR은 점진적으로 증가하고 전압 바이어스가 더 음이 될수록 감소합니다. 20보다 높은 PDCR은 V에서 달성됩니다. _편견 - 1.2V 및 P _빛 150μW/cm ² .

V 조건에서 주기가 10초인 구형파광을 사용하여 하이브리드 광검출기의 시간 의존적 광응답 특성을 연구합니다. _편견 - 1.2V 및 P _빛 150μW/cm ² . 몇 번의 조명 주기 후에 장치는 안정적인 온 상태 I에 도달합니다. _사진 주어진 P에서 _빛 및 V _편견 , 도 5a에 도시된 바와 같이. 상승 시간과 감쇠 시간은 각각 319ms와 270ms로[40, 41] 에피택셜 β-Ga₂로 제작된 장치보다 훨씬 적습니다. O₃ 필름 또는 β-Ga₂ O₃ 플레이크 [35, 42, 43]이지만 [31]의 데이터보다 깁니다. [31]에서 이중 이종 접합의 존재에 대해, PEDOTT:PSS/Ga₂ O₃ 상부 접합 및 Ga₂ O₃ /p-Si 하부 접합, 광생성 캐리어는 PEDOTT:PSS/Ga₂ 하나보다 내장된 이중 전기장에 의해 더 효과적으로 분리될 수 있습니다. O₃ 이 논문에서 접합. 따라서 [31]의 결함에 의해 더 적은 캐리어가 포착될 수 있으므로 상승 시간과 감쇠 시간이 더 짧아집니다. 또한, P 하단에 쐐기 모양의 헤드가 있는 광응답 곡선의 모양에서 오버슈팅 기능을 관찰할 수 있습니다. _빛 150μW/cm ² P에서 발생한 것보다 _빛 600μW/cm ² 0V가 아닌 -1.2V의 역 바이어스 하에서 광생성 캐리어의 효과적인 수집을 위해 [30]에서.

다중 주기(a ) 및 단일 사이클(b ) 시간 의존적 나 _사진 하이브리드 PEDOT:PSS/β-Ga₂ O₃ V의 쇼트키 장벽 광검출기 _편견 =− 1.2V, 상승 시간 및 감쇠 시간은 각각 319ms 및 270ms로 결정됩니다.

그림 6은 조명 광학 λ에 대한 응답 특성을 나타냅니다. V 아래 _편견 − 1.2 V의 최대 응답도 R _최대 λ에서 0.62A/W 달성 244 nm 및 해당 외부 양자 효율(EQE) 3.16 × 10 ² EQE =hcR 식으로 계산된 % _최대 /(eλ ) 광발생 캐리어의 효과적인 수집에 대해 [30, 38]에서 얻은 것보다 훨씬 높습니다. 여기서 R _최대 는 최고 응답도이며 h 는 플랭크 상수입니다. 이 및 λ 는 각각 전자 전하와 조명 파장입니다. 파장이 290 nm보다 길수록 광반응도는 1 × 10 ⁻³ 보다 낮습니다. , 하이브리드 β-Ga₂에서 훨씬 더 나은 스펙트럼 선택성을 보여줍니다. O₃ 장치. 동시에 R의 거부율은 _254nm /R _400nm 1.26 × 10 ³ 으로 결정됨 . 보고된 무기 Ga₂와 비교 O₃ 광검출기[43,44,45,46,47,48,49]에 따르면 하이브리드 장치는 더 높은 광 반응성, 더 빠른 응답 속도 및 더 큰 UV/가시광선 제거율을 갖고 있어 고성능의 태양광 블라인드 광검출기를 의미합니다.

PEDOT:PSS/Ga₂에 대한 응답성 대 파장 O₃ V의 하이브리드 광검출기 _편견 =-1.2V