하이브리드 PEDOT:PSS/β-Ga₂O₃ 심자외선 쇼트키 광검출기: 온도 의존 성능 분석

요약

본 논문에서는 PEDOT:PSS를 양극으로 하는 하이브리드 β-Ga₂O₃ 쇼트키 다이오드를 제조했습니다. 온도가 298 K에서 423 K로 변화할 때 전기적 특성을 조사했습니다. 장벽 높이 φb는 증가하고 이상성 인자 n은 온도 증가에 따라 감소하여 폴리머와 β-Ga₂O₃ 계면 사이의 장벽 높이 불균일성이 존재함을 나타냅니다. 가우시안 장벽 높이 분포 모델을 고려한 후 평균 장벽 높이와 표준 편차는 각각 1.57 eV와 0.212 eV입니다. 또한 320 ms 미만의 비교적 빠른 응답 속도, 0.6 A/W의 높은 응답도, R₂₅₄ nm/R₄₀₀ nm 최대 1.26×10³의 제거 비율을 얻어 하이브리드 PEDOT:PSS/β-Ga₂O₃ 쇼트키 장벽 다이오드가 심자외선(DUV) 광학 스위치나 광검출기로 사용될 수 있음을 시사합니다.

서론

많은 연구 그룹이 새로운 초광대역갭 반도체인 β-Ga₂O₃에 많은 관심을 기울여 심자외선(DUV) 광검출기[1-7], 고전압, 고전력 소재로의 잠재력을 연구했습니다. 이는 넓은 밴드갭(4.8-4.9 eV), 높은 항복 전기장(8 MV/cm), 화학적 안정성[8-11] 때문입니다. 또한 β-Ga₂O₃는 [100] 방향을 따라 큰 격자 상수라는 독특한 특성으로 나노막대나 얇은 벨트로 쉽게 쪼갤 수 있습니다[12, 13]. Cu[14], Pd[15], Pt[11, 16-19], Au[15, 20], Ni[16, 21-23], TiN[18] 등 다양한 금속이 β-Ga₂O₃ 쇼트키 장벽 다이오드(SBD)의 전기적 특성 조사에 사용되었습니다. 그러나 일부 폴리머로 제조된 쇼트키 다이오드와 그 전기적 특성은 아직 보고되지 않았습니다. 모든 유기 물질 중 PEDOT:PSS는 투명한 정공 전도성 폴리머 중 하나로, 전도도가 최대 500 S/cm, 일함수가 5.0~5.3 eV로 Au와 Ni에 가깝습니다[23-25]. 또한 PEDOT:PSS 박막은 기판에 스핀 코팅하고 공기 중에서 베이킹하는 것만으로 형성할 수 있습니다. PEDOT:PSS의 ZnO 단결정 기판과 GaN 에피층 위 투명 쇼트키 접촉에 대한 연구가 있으며, 좋은 정류 특성과 광전기적 또는 광기전 특성을 보였습니다[26-29].

본 연구에서는 고품질 β-Ga₂O₃ 기판에서 기계적 박리로 얻은 β-Ga₂O₃ 플레이크와 PEDOT:PSS 폴리머로 하이브리드 쇼트키 다이오드를 제조했습니다. 298 K에서 423 K 온도 영역에서 다이오드의 전기적 특성을 조사했습니다. 또한 UV 조명 하에서 I-V 측정을 수행하고 응답도를 측정했으며 광전류의 과도 거동도 분석했습니다.

실험 방법

전자 농도 7×10¹⁶ cm⁻³인 (100) β-Ga₂O₃ 기판에서 두께 15-25 μm의 β-Ga₂O₃ 플레이크를 기계적으로 박리했습니다. 전자 밀도가 [30]에서 사파이어 기판 위에 증착된 비의도적 도핑 Ga₂O₃ 에피층보다 2-3배 높고, 본 논문에서 고전도성 PEDOT:PSS 박막을 사용했으므로 [30]에서는 pn 이종접합이 형성되었으나 본 논문에서는 쇼트키 접합이 형성되었습니다[30]. Fig. 1a는 하이브리드 PEDOT:PSS/β-Ga₂O₃ 쇼트키 다이오드 개략도입니다. β-Ga₂O₃ 플레이크를 아세톤, 에탄올, 탈ion수에서 초음파 교반으로 세척한 후 HF:H₂O(1:10) 용액에 담가 표면 산화물을 제거했습니다. 이후 전체 뒷면에 Ti/Au(20 nm/100 nm) 금속 스택을 증착하고 N₂ 분위기에서 470°C, 60초 급속 열처리로 옴성 접촉 저항을 감소시켰습니다. β-Ga₂O₃ 플레이크 표면에 3회 스핀 코팅 후 PEDOT:PSS를 전기 핫플레이트에서 150°C, 15분간 베이킹했습니다. 이후 1 mm×2 mm 면적의 개별 소자를 얻었습니다. Fig. 1b의 HRTEM 이미지에서 원자가 규칙적으로 배열되고 원자 기둥 정렬 오류가 거의 없어 β-Ga₂O₃ 플레이크의 높은 결정 품질을 확인할 수 있습니다. Fig. 1c, d에서 (400) 면의 HRXRD 로킹 커브 FWHM은 약 35.3 arcsec, 근평방평균제곱근(RMS)은 0.19 nm로 추정되어 우수한 결정 품질과 매끄러운 표면을 보여줍니다.

결과 및 논의

I-V 특성과 장벽 높이

Fig. 2a에 제시된 바와 같이 하이브리드 PEDOT:PSS/β-Ga₂O₃ 쇼트키 장벽 다이오드의 I-V 특성을 온도 298-423 K 변화 시 조사했습니다. 전류는 온도에 따라 단조롭게 증가하며, 순방향 바이어스 전압 1.5 V 미만에서 반로그 I-V 곡선은 선형 거동을 보입니다. 순방향 바이어스 전압이 더 증가하면 반로그 I-V 곡선의 기울기가 점차 감소하고 순방향 전류가 6~8×10⁻⁴ A에 접근하여 직렬 저항으로 인해 I-V 곡선이 선형성에서 벗어남을 나타냅니다. 또한 역방향 누설 전류는 -3 V에서 10⁻⁹ A 미만이며, 상온에서 Ion/Ioff 비율은 최대 10⁶으로 무기 β-Ga₂O₃ 쇼트키 다이오드[11-15]만큼 좋은 정류 거동을 보입니다.

방정식 I=Is{exp[q(V-IRs)/nkT]-1}에 따라 V는 바이어스 전압, T와 k는 절대 온도와 볼츠만 상수입니다. 이상성 인자 n과 역방향 포화 전류 Is는 서로 다른 온도에서 반로그 I-V 곡선의 선형 외삽의 y축 절편과 기울기에서 추출할 수 있습니다. 이상적인 쇼트키 다이오드의 이상성 인자 n은 1과 같지만, 실제 소자에서는 항상 어느 정도 1보다 큽니다. n이 증가함에 따라 열방출(TE) 모델과의 편차는 훨씬 커집니다. φb=(kT/q)ln[AA*T²/Is] 식에 따라 서로 다른 온도에서 쇼트키 장벽 높이 φb를 얻을 수 있으며 Fig. 2b에 나타냈습니다. 온도 증가로 φb는 0.71 eV에서 0.84, 0.87, 0.90, 0.93, 0.96 eV로 증가하는 반면 n은 4.27에서 3.42, 3.35, 3.29, 3.06, 2.86으로 감소합니다. n이 1보다 훨씬 큰 것은 전계 효과나 열전계 효과 같은 다른 전도 메커니즘이 전류 수송에 기여하여 순수 TE 모델과 I-V 특성 간 차이를 초래함을 나타내며, 이는 GaN과 SiC를 포함한 광대역갭 SBD에서 설명되었습니다[31-34].

φb와 n이 온도 의존적이므로 PEDOT:PSS와 β-Ga₂O₃ 계면에서 장벽 높이 불균일성을 고려해야 합니다. 장벽 높이의 가우시안 분포를 고려하면 불균일한 장벽 높이는 φb=φb0(T=0)-qσs²/2kT로 설명될 수 있고, n의 T에 따른 변화는 (1/n-1)=ρ₂-qρ₃/2kT로 주어집니다. 여기서 φb0와 σs는 각각 평균 장벽 높이와 표준 편차, ρ₂와 ρ₃는 온도 의존 전압 계수이며, 쇼트키 장벽 높이(SBH) 분포의 전압 변형을 정량화합니다(Fig. 3a). φb0와 σs는 φb 대 q/2kT 곡선의 절편과 기울기에서 계산되며, 각각 약 1.57 eV와 0.212 eV입니다. 동시에 ρ₂와 ρ₃는 (1/n-1) 대 q/2kT 플롯의 절편과 기울기에서 각각 0.4 eV와 0.02 eV로 평가됩니다. φb0에 비해 σs가 작지 않아 PEDOT:PSS/β-Ga₂O₃ 계면에서 장벽 불균일성이 존재함을 보여줍니다[35].

장벽 높이 불균일성을 고려하면 역방향 포화 전류 Is와 평균 장벽 높이 φb0 사이의 관계는 ln(Is/T²)-(q²σs²/2k²T²)=ln(AA*)-qφb0/kT로 수정될 수 있습니다. Fig. 3b에서 ln(Is/T²)-(q²σs²/2k²T²) 대 1/kT 플롯이 직선임을 알 수 있으며, 여기서 유효 리처드슨 상수 A*를 3.8 A·cm⁻²·K⁻²로 추출할 수 있습니다. 이는 β-Ga₂O₃ 유효 질량 m*=0.34 m₀[36, 37]로 계산된 이론적 리처드슨 상수 40.8 A·cm⁻²·K⁻²보다 한 자릿수 작습니다. 따라서 온도 의존적 φb와 n, 즉 SBH에 걸친 장벽의 가우시안 분포로 PEDOT:PSS/β-Ga₂O₃ 계면의 장벽 불균일성을 설명할 수 있습니다.

UV 광검출기 특성

위에서 설명한 바와 같이 하이브리드 β-Ga₂O₃ 쇼트키 다이오드는 좋은 정류 특성을 보이며, 상온 암상태에서 Ion/Ioff 비율 최대 10⁶입니다. Fig. 4a에서 낮은 암전류 Idark 9.4 nA@Vbias=-4 V를 확인할 수 있어 낮은 노이즈 특성을 나타냅니다. 254 nm 파장 정상 입사, 광밀도 150 μW/cm² 조건에서 광전류 Iphoto는 112 nA@Vbias=-4 V에 도달합니다. 또한 광검출기는 0 V에서 0.45 nA 광전류와 0.15 V 개방 회로 전압(Voc)으로 약한 광기전 효과를 보이며, 이는 [38]의 0.9 V보다 훨씬 작아 캐리어 밀도 차이와 이에 따른 페르미 레벨 변동에 기인할 수 있습니다. Fig. 4b는 다양한 Plight에서 선형 Iphoto 대 Vbias를 나타냅니다. 소자는 Plight에 대한 Iphoto 의존성을 보이며, Iphoto는 Plight에 비선형적으로 증가합니다. 즉, 다양한 Vbias에서 Iphoto 대 Plight 플롯이 명백한 초선형 거동을 보입니다(Fig. 4c). 초선형 거동 메커니즘을 규명하기 위해 Fig. 4e에 접촉 전 PEDOT:PSS와 β-Ga₂O₃의 에너지 다이어그램을 제시했습니다. β-Ga₂O₃의 전자 친화도와 밴드갭은 각각 4.0 eV, 4.9 eV입니다. PEDOT:PSS의 최하위 비점유 분자 오비탈(LUMO)은 3.3 eV, 최고 점유 분자 오비탈(HOMO)은 5.2 eV입니다[39]. 접촉 시 쇼트키 장벽이 형성됩니다. 소자가 조명되고 쇼트키 다이오드 전극에 역바이어스가 가해지면 광생성 전자-정공 쌍이 전기장에 의해 빠르게 분리되어 정공은 양극으로, 전자는 음극으로 드리프트합니다(Fig. 4f). PEDOT:PSS/β-Ga₂O₃ 계면에 트랩이 존재하여 정공이 계면 상태에 트랩되어 순 양전하를 생성, 유효 쇼트키 장벽 높이를 감소시키고 더 많은 캐리어가 쇼트키 접합을 통과하여 Iphoto를 향상시킵니다. Fig. 4d는 다양한 Plight에서 광-암 전류 비율(PDCR) 곡선을 보여줍니다. 전압 바이어스가 0V에서 -1.2V로 이동함에 따라 PDCR은 점차 증가하다 더 음의 바이어스에서 감소하며, Vbias=-1.2 V, Plight=150 μW/cm²에서 20 이상의 높은 PDCR을 달성합니다.

하이브리드 광검출기의 시간 의존 광응답 특성을 Vbias=-1.2 V, Plight=150 μW/cm²에서 주기 10초 사각파 광으로 연구했습니다. 여러 조명 주기 후 소자는 주어진 Plight와 Vbias에서 안정된 온 상태 Iphoto에 도달합니다(Fig. 5a). 상승 시간과 감소 시간은 각각 319 ms, 270 ms[40, 41]로, 에피택셜 β-Ga₂O₃ 박막이나 β-Ga₂O₃ 플레이크 제조 소자[35, 42, 43]보다 훨씬 짧지만 [31]의 데이터보다는 깁니다. [31]에는 이중 이종접합(PEDOT:PSS/Ga₂O₃ 상부 접합, Ga₂O₃/p-Si 하부 접합)이 있어 광생성 캐리어가 본 논문의 단일 PEDOT:PSS/Ga₂O₃ 접합보다 두 내장 전기장에 의해 더 효과적으로 분리될 수 있습니다. 따라서 [31]에서 더 적은 캐리어가 결함에 포착되어 더 짧은 상승/감소 시간을 보입니다. 또한 낮은 Plight(150 μW/cm²)에서 [30]의 600 μW/cm²에서 발생한 것보다 쐐기 모양 헤드를 가진 광응답 곡선 형태에서 과도 응답 특성을 관찰할 수 있습니다. 이는 0 V가 아닌 -1.2 V 역바이어스에서 광생성 캐리어의 효과적 수집 때문입니다.

Fig. 6은 Vbias=-1.2 V에서 조명 광학 파장 λ에 따른 응답도 특성을 보여줍니다. 최대 응답도 Rmax 0.62 A/W는 λ=244 nm에서 달성되며, 해당 외부 양자 효율(EQE)은 EQE=hcRmax/(eλ) 식에 의해 3.16×10²%로 계산되어 [30, 38]에서 얻은 값보다 훨씬 높습니다. 이는 광생성 캐리어의 효과적 수집 때문입니다. 여기서 Rmax는 피크 응답도, h는 플랑크 상수, e와 λ는 전자 전하와 조명 파장입니다. 파장이 290 nm보다 길면 광응답도가 1×10⁻³ 미만으로 하이브리드 β-Ga₂O₃ 소자에서 훨씬 더 나은 분광 선택성을 보여줍니다. 동시에 R₂₅₄ nm/R₄₀₀ nm 제거 비율은 1.26×10³로 결정되었습니다. 보고된 무기 Ga₂O₃ 광검출기[43-49]와 비교하여 하이브리드 소자는 더 높은 광응답도, 더 빠른 응답 속도, 더 큰 UV/가시광 제거 비율을 가져 고성능 솔라 블라인드 광검출기로서 유망함을 시사합니다.

결론

PEDOT:PSS/β-Ga₂O₃ 하이브리드 쇼트키 장벽 다이오드를 제조했습니다. 쇼트키 장벽 높이 φb와 이상성 인자 n이 온도 의존적으로, PEDOT:PSS/β-Ga₂O₃ 계면에서 쇼트키 장벽 높이가 불균일함을 나타냅니다. 가우시안 장벽 높이 분포 모델 기반으로 평균 장벽 높이와 표준 편차는 각각 1.57 eV, 0.212 eV로 평가됩니다. 또한 PEDOT:PSS/β-Ga₂O₃ DUV 쇼트키 장벽 광검출기 특성도 조사했습니다. 0.6 A/W의 높은 응답도, R₂₅₄ nm/R₄₀₀ nm=1.26×10³ 제거 비율, 3.16×10⁴% EQE, 320 ms 미만의 빠른 응답 속도를 달성하여 하이브리드 쇼트키 장벽 다이오드가 DUV 광학 스위치나 광검출기로 사용될 수 있음을 시사합니다.