ハイブリッドPEDOT：PSS /β-Ga2O3深紫外線ショットキーバリア光検出器の調査

要約

この論文では、ハイブリッドβ-Ga₂ O ₃ ショットキーダイオードは、アノードとしてPEDOT：PSSを使用して製造されました。温度が298Kから423Kに変化したときの電気的特性を調査しました。バリアの高さ ϕ _b 増加し、理想係数 n 温度が上昇するにつれて減少し、ポリマーとβ-Ga₂の間にバリア高さの不均一性が存在することを示します O ₃ インターフェース。ガウスバリア高さ分布モデルを考慮した後の平均バリア高さと標準偏差は、それぞれ1.57eVと0.212eVです。さらに、320 ms未満の比較的高速な応答速度、0.6 A / Wの高い応答性、および R の除去率 _{254 nm} / R _{400 nm} 最大1.26×10 ³ ハイブリッドPEDOT：PSS /β-Ga₂が得られ、 O ₃ ショットキーバリアダイオードは、深紫外線（DUV）光スイッチまたは光検出器として使用できます。

はじめに

多くの研究グループが、β-Ga₂の新しい超ワイドバンドギャップ半導体に多くの注目を集めています。 O ₃ 深紫外線（DUV）光検出器[1,2,3,4,5,6,7]、ワイドバンドギャップ（4.8〜4.9 eV）、高破壊電界用の高電圧および高出力デバイスの潜在的な材料として（8 MV / cm）、および化学的安定性[8,9,10,11]。さらに、β-Ga₂を簡単に切断できます。 O ₃ [100]方向に沿った大きな格子定数という独自の特性により、ナノメンブレンまたは薄いベルト[12、13]に変換されます。Cu[14]、Pd [15]、Pt [11、16、17、 18,19]、Au [15、20]、Ni [16、21、22、23]、およびTiN [18]を使用して、β-Ga₂の電気的特性を調査しました。 O ₃ ショットキーバリアダイオード（SBD）。ただし、一部のポリマーで製造されたショットキーダイオードと電気的特性はまだ報告されていません。すべての有機材料の中で、PEDOT：PSSは透明な正孔伝導性ポリマーの1つであり、その導電率は最大500 S / cm、仕事関数は最大5.0〜5.3 eVで、AuとNiに近い[23,24,25 ]。さらに、PEDOT：PSSフィルムは、基板上にスピンコーティングし、続いて空気中でベークすることによってのみ形成できます。 ZnO単結晶基板とGaNエピ層上のPEDOT：PSSの透明なショットキー接触に関していくつかの調査があり、整流性の良好な特性と光起電力または光起電力特性を示します[26、27、28、29]。

この作業では、ハイブリッドショットキーダイオードをPEDOT：PSSポリマーと機械的に剥離したβ-Ga₂を使用して製造しました。 O ₃ 高品質のβ-Ga₂からのフレーク O ₃ 基板。ダイオードの電気的特性は、298 K〜423 Kの温度領域で調査されました。さらに、UV照明下でのI-V測定が実行され、応答性が測定され、光電流の過渡挙動も分析されました。

実験方法

β-Ga₂ O ₃ 厚さ15〜25μmのフレークを（100）β-Ga₂から機械的に剥離しました。 O ₃ 電子濃度が7×10 ¹⁶ の基板 cm ^-3 。電子密度は、意図せずにドープされたGa ₂よりも2〜3桁高いためです。 O ₃ [30]でサファイア基板上に堆積されたエピ層と高導電性PEDOT：PSSフィルムがこの論文で使用されたため、[30]でpnヘテロ接合が形成され、この論文ではショットキー接合が形成されました[30]。図1aに、ハイブリッドPEDOT：PSS /β-Ga₂の概略図を示します。 O ₃ ショットキーダイオード。 β-Ga₂ O ₃ フレークをアセトン、エタノール、および脱イオン水で超音波攪拌しながら洗浄し、HF：H ₂に浸しました。表面酸化物を除去するためのO（1:10）溶液。次に、裏面全体にTi / Au（20 nm / 100 nm）金属スタックの堆積を行い、N ₂下で470°Cで急速熱処理を行いました。オーミック接触抵抗を下げるために、雰囲気を60秒間行った。 β-Ga₂の表面にスピンコーティングした後 O ₃ フレークを3回、PEDOT：PSSを電気ホットプレート上で150°Cで焼き、焼き時間は15分でした。続いて、1mm×2mmの面積の絶縁デバイスが得られました。図1bのHRTEM画像から、原子が規則的に配列されており、原子柱のミスアライメントがほとんどないことがわかります。これは、β-Ga₂の結晶品質が高いことを示しています。 O ₃ フレーク。図1c、dに示すように、HRXRDのFWHMは約35.3秒角であり、二乗平均平方根（RMS）は0.19 nmと推定され、優れた結晶品質と滑らかな表面を示しています。

結果と考察

I–Vの特性とバリアの高さ

図2aに示すように、ハイブリッドPEDOT：PSS /β-Ga₂のI–V特性 O ₃ 温度が298Kから423Kに変化するときに、ショットキーバリアダイオードが調査されました。電流は温度とともに単調に増加し、セミログI–V曲線は、1.5V未満の順方向電圧バイアスとして線形動作を示します。順方向バイアスとして電圧がさらに上昇し、セミログI–V曲線の勾配が徐々に減少し、順方向電流が6〜8×10 ^-4 に近づきます。 Aは、直列抵抗によってI–V曲線が直線性から外れることを示しています。さらに、逆リーク電流は10 ^-9 未満です。 A at – 3 V、および I _on / 私 _オフ比率は最大10 ⁶ 室温で、無機β-Ga₂と同等の整流挙動を示します O ₃ ショットキーダイオード[11、12、13、14、15]。

方程式によると\（I ={I} _s \ left \ {\ exp \ left [\ frac {q \ left（V- {IR} _s \ right）} {nkT} \ right] -1 \ right \} \）ここで V はバイアス電圧、 T および k それぞれ絶対温度とボルツマン定数です。理想係数 n 逆飽和電流 I _s y から抽出できます -軸切片と、さまざまな温度での片対数I–V曲線の線形外挿の傾き。理想係数 n 理想的なショットキーダイオードのは1に等しく、実際のデバイスでは常にある程度1より大きくなります。熱放射（TE）モデルの偏差は、 n としてはるかに大きくなります。増加します。式\（{\ phi} _b =\ frac {kT} {q} \ ln \ left [\ frac {AA ^ {\ ast} {T} ^ 2} {I_s} \ right] \）によると、ショットキー障壁の高さを取得できます ϕ _b 図2bに示すように、さまざまな温度で。温度の上昇は ϕ を引き起こします _b n の間に、0.71 eVから0.84、0.87、0.90、0.93、および0.96eVに増加します。 4.27から3.42、3.35、3.29、3.06、および2.86に減少します。 n の場合 1よりはるかに大きく、電界効果や熱場効果などの他の伝導メカニズムが電流輸送に寄与し、ワイドバンドギャップSBDで示されている純粋なTEモデルとI–V特性の違いをもたらすことを示唆しています。 GaNとSiCを含む[31,32,33,34]。

ϕ の場合 _b および n 温度に依存するため、バリアの高さの不均一性はPEDOT：PSSおよびβ-Ga₂で考慮する必要があります。 O ₃ インターフェース。バリアの高さのガウス分布を考慮すると、不均一なバリアの高さは\（{\ phi} _b =\ overline {\ phi_ {b0}} \ left（T =0 \ right）-\ frac {q {\ sigma} _s ^ 2} {2 kT} \）および n のバリエーション T では\（\ left（\ frac {1} {n} -1 \ right）={\ rho} _2- \ frac {q {\ rho} _3} {2 kT} \）で与えられます。ここで、\（\ overline {\ phi_ {b0}} \）およびσ _s は、それぞれ平均バリア高と標準偏差です。ρ ₂ およびρ ₃ は温度依存の電圧係数であり、ショットキー障壁高さ（SBH）分布の電圧変形はそれらによって定量化されました（図3a）。 \（\ overline {\ phi_ {b0}} \）およびσ _s ϕ の切片と傾きから計算できます _b 対 q / 2 kT 曲線、それぞれ約1.57eVと0.212eV。同時に、ρ ₂ およびρ ₃ （1 / n の切片と傾きから、0.4eVと0.02eVと評価されます。 − 1）対 q / 2 kT プロット。 \（\ overline {\ phi_ {b0}} \）と比較して、σ _s は小さくなく、PEDOT：PSS /β-Ga₂でのバリアの不均一性の存在を示しています O ₃ インターフェイス[35]。

バリア高さの不均一性を考慮することにより、逆飽和電流 I との関係 _s また、平均バリア高さ\（\ overline {\ phi_ {b0}} \）は、\（\ 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} \）。図3bから、\（\ ln \ left（{I} _ {\ mathrm {s}} / {T} ^ 2 \ right）-\ left（{q} ^ 2 { \ sigma} _ {\ mathrm {s}} ^ 2/2 {k} ^ 2 {T} ^ 2 \ right）\）対1 / kT は直線であり、そこから有効なリチャードソン定数 A を抽出できます。 ^* 3.8 A cm ⁻² K ⁻² 、40.8 A cm ^-2 の理論上のリチャードソン定数よりも1桁小さい K ⁻² β-Ga₂ O ₃ m の有効質量 * =0.34 m ₀ [36、37]。したがって、温度に依存する ϕ _b および n つまり、SBH上のバリアのガウス分布を使用して、PEDOT：PSS /β-Ga₂でのバリアの不均一性を説明できます。 O ₃ インターフェイス。

UV光検出器の特性

上記のように、ハイブリッドβ-Ga₂ O ₃ ショットキーダイオードは、優れた整流特性を示します。 I の比率 _on / 私 _オフ最大10 ⁶ 室温で暗状態で。より低い暗電流 I _暗い 9.4 nA @ V _バイアス =− 4 Vは図4aから決定でき、ノイズ特性が低いことを示しています。 150μW/ cm ² の光密度で波長254nmの法線入射下にある間、光電流 I _写真 112 nA @ V に達する _バイアス =− 4V。さらに、光検出器は、0Vで0.45nAの光電流と開回路電圧（ V ）で弱い光起電力効果を示します。 _oc ）0.15 Vであり、参考文献[38]では0.9 Vをはるかに下回っています。これは、キャリア密度の差と結果として生じるフェルミ準位の変動に起因する可能性があります。図4bは、線形の I を表しています。 _写真対 V _バイアスさまざまな P <サブ>ライト。デバイスは I の依存関係を示しています _写真 P で <サブ>ライト、および I _写真 P とともに非線形に増加します <サブ>ライトつまり、異なる V _{バイアス、} I のプロット _写真対 P <サブ>ライト図4cに示すように、明らかな超線形動作を示します。超線形挙動のメカニズムを解明するために、図4eにPEDOT：PSSとβ-Ga₂のエネルギー図を示します。 O ₃ 連絡する前に。 β-Ga₂の電子親和力とバンドギャップ O ₃ それぞれ4.0eVと4.9eVです。最も低い空軌道（LUMO）は3.3 eVであり、PEDOT：PSSの最も高い空軌道は5.2eVです[39]。彼らが接触すると、ショットキー障壁が形成されました。デバイスが照射され、ショットキーダイオードの電極に逆バイアスが適用されると、光生成された電子正孔対は電界によって急速に分離され、正孔はアノードにドリフトし、電子はカソードに移動します。図4f。 PEDOTにトラップが存在する場合：PSS /β-Ga₂ O ₃ 界面では、正孔は界面状態でトラップされ、正味の正電荷を生成し、ショットキーバリアの有効高さを減らし、ショットキー接合を流れるキャリアを増やし、 I を改善します。 _写真。図4dは、さまざまな P での暗電流比（PDCR）曲線を示しています。 <サブ>ライト。電圧バイアスがからシフトするにつれて

0V〜-1.2Vの場合、PDCRは徐々に増加し、電圧バイアスが負になるにつれて減少します。 V では、20を超える高いPDCRが達成されます。 _バイアス − 1.2Vおよび P <サブ>ライト 150μW/ cm ² 。

ハイブリッド光検出器の時間依存光応答特性は、 V の下で周期10秒の方形波光を使用して研究されます。 _バイアス − 1.2Vおよび P <サブ>ライト 150μW/ cm ² 。数回の照明サイクルの後、デバイスは安定したオン状態の I に到達します _写真与えられた P で <サブ>ライトおよび V _バイアス、図5aに示すように。立ち上がり時間と減衰時間はそれぞれ319ミリ秒と270ミリ秒であり[40、41]、エピタキシャルβ-Ga₂上に製造されたデバイスよりもはるかに短いです。 O ₃ フィルムまたはβ-Ga₂ O ₃ フレーク[35、42、43]ですが、[31]のデータよりも長くなっています。 [31]にダブルヘテロ接合が存在する場合、PEDOTT：PSS / Ga ₂ O ₃ 上部ジャンクションとGa ₂ O ₃ / p-Si下部接合部では、光生成キャリアは、唯一のPEDOTT：PSS / Ga ₂よりも、二重のビルトイン電界によってより効果的に分離できます。 O ₃ この論文のジャンクション。したがって、[31]の欠陥によって捕捉されるキャリアが少なくなり、立ち上がり時間と減衰時間が短くなります。さらに、オーバーシュートの特徴は、下部の P にウェッジヘッドがある光応答曲線の形状から観察できます。 <サブ>ライト 150μW/ cm ² P で発生したよりも <サブ>ライト 600μW/ cm ² [30]で、0Vではなく-1.2Vの逆バイアス下で光生成キャリアを効果的に収集します。

図6は、応答特性と照明光学λの関係を示しています。 V の下 _バイアス − 1.2Vの。最大応答性 R _max λで0.62A / Wを達成 244 nmで、対応する外部量子効率（EQE）は3.16×10 ² 式EQE = hcR によって計算された％ _max /（eλ ）、光生成キャリアの効果的な収集について[30、38]で得られたものよりもはるかに高く、ここで R _max はピーク応答性であり、 h プランク定数です。 e およびλ はそれぞれ電荷と照明波長です。波長が290nmより長いため、光応答性は1×10 ^-3 より低くなります。、ハイブリッドβ-Ga₂のはるかに優れたスペクトル選択性を示しています O ₃ デバイス。同時に、 R の棄却率 _{254 nm} / R _{400 nm} 1.26×10 ³ と決定されます。報告されている無機Ga ₂との比較 O ₃ 光検出器[43,44,45,46,47,48,49]、ハイブリッドデバイスは、より高い光応答性、より速い応答速度、およびより大きなUV /可視除去比を備えており、高性能の有望なソーラーブラインド光検出器を意味します。

結論

PEDOT：PSS /β-Ga₂を製作しました O ₃ ハイブリッドショットキーバリアダイオード。ショットキー障壁の高さ ϕ _b 理想係数 n 温度に依存しますショットキー障壁の高さがPEDOT：PSS /β-Ga₂で不均一であることを示しています O ₃ インターフェース。平均バリア高さと標準偏差は、ガウスバリア高さ分布モデルに基づいて、それぞれ1.57eVと0.212eVと評価できます。さらに、PEDOT：PSS /β-Ga₂の特徴 O ₃ DUVショットキーバリア光検出器も調査されました。 0.6 A / Wのより高い応答性、 R の除去率 _{254 nm} / R _{400 nm} =1.26×10 ³ 、3.16×10 ⁴ のEQE ％および320 ms未満のより高速な応答速度が達成され、ハイブリッドショットキーバリアダイオードをDUV光スイッチまたは光検出器として使用できることを示唆しています。

データと資料の可用性

すべてのデータは、合理的な要求を介して著者から入手できます。

略語

AFM：: 原子間力顕微鏡
DUV：: 深紫外線
EQE：: 外部量子効率
FWHM：: 半値全幅
HRTEM：: 高分解能透過型電子顕微鏡
LUMO：: 最も低い空軌道
PDCR：: 写真と暗電流の比率
RMS：: 二乗平均平方根
SBD：: ショットキーバリアダイオード
TE：: 熱放射

パルスレーザー堆積によって堆積されたNbドープSrSnO3エピタキシャル膜の電気的および光学的特性極薄Pdナノザイムのホットエレクトロン活性化ペルオキシダーゼ模倣活性

ナノマテリアル