Estudo de filmes de óxido de zinco para aplicação em diodos Schottky e PN híbridos

Abstract

Dispositivos híbridos apresentam grande potencial para aplicação em sistemas fotovoltaicos, diodos emissores de luz e fotodetectores. Estruturas híbridas permitem combinar a versatilidade da estrutura química dos materiais orgânicos com as propriedades bem estabelecidas dos compostos inorgânicos. Para a deposição de materiais orgânicos, as técnicas de impressão são vantajosas destacando-se a spray pirólise, por sua versatilidade, baixo custo e fácil operação. Alguns semicondutores inorgânicos, como os obtidos por precursores orgânicos, também podem ser depositados por técnicas de impressão. Neste trabalho, foram estudados diodos PN híbridos, através da heterojunção de óxido de zinco (ZnO) com poli(3-hexiltiofeno) (P3HT), utilizando eletrodos de ouro e óxido de zinco dopado com alumínio (AZO). Além disso, realizamos um estudo complementar de diodos Schottky utilizando os semicondutores tipo-P e N, P3HT e o ZnO, respectivamente. O eletrodo transparente foi obtido por difusão térmica in-situ durante a deposição de acetato de zinco dihidratado sobre uma fina camada de alumínio. Mostramos que esse processo produz filmes de ZnO altamente dopado (Al:ZnO), denominado de AZO. Os filmes de AZO foram caracterizados via Difração de Raios-X (DRX), espectroscopia UV-vis, Raman, fotoluminescência (PL) e resistência de folha. Estes apresentaram transmitância acima de 95%, associado com uma resistência de folha inferior a 40 Ω/sq. Os valores de alta transmitância e baixa resistência são as propriedades mais importantes para os óxidos condutores transparentes, e esses valores estão na faixa necessária. A espectroscopia Raman mostrou que o processo de difusão é mais intenso na interface com o Al, diminuindo conforme o número de camadas de ZnO aumenta. O desempenho do eletrodo transparente de AZO foi avaliado através da caracterização do diodo Schottky e PN híbrido. Os diodos foram caracterizados por medidas de corrente elétrica e capacitância em função da voltagem e apresentaram valores de parâmetros em concordância com a literatura, que serviram de referência para as análises dos dados. Os valores da altura da barreira (ΦB), resistência em série (RS) e potencial built-in (V0), dos diodos PN híbridos, foram: 0,7 eV; 4,7 kΩ e 1,8 V, respectivamente. Esses resultados, associados ao uso do eletrodo de AZO, são promissores para aplicações em fotodetectores.

Hybrid devices have great potential for applications in photovoltaic systems, light-emitting diodes, and photodetectors because allowing to combine the chemical versatility of organic materials with the properties of the inorganic compounds. For organic materials depositions, the printing techniques are advantageous standing out the spray pyrolysis, due to its versatility, low cost, and easy operation. Some inorganic semiconductors as ones obtained by organic precursors also can be deposited by printing techniques. This work, PN hybrids diodes based on the heterojunction of zinc oxide and poly-3-hexilthiophene (P3HT), using gold and zinc oxide doped with aluminum (AZO) electrodes was studied. Also, was performed a complementary study of Schottky diodes using semiconductors type-P and N, P3HT and ZnO, respectively. Transparent electrodes were obtained by in situ thermal diffusions during the dehydrated acetate deposition onto a glass slide with a thin aluminum layer previously deposited on it. We show that this process forms a ZnO film highly doped with aluminum (Al: ZnO) named AZO. The Al: ZnO or AZO films were characterized by X-ray diffraction (DRX), spectroscopy UV-Vis, Ramam photoluminescence (PL), and sheet resistance measurements. These films show transmittance greater than 95%, associated with a sheet resistance lower than 40 Ω/sq. The high transmittance and low sheet resistance values are the most important properties for the oxides conductors transparent, and these values are in the required range. Raman spectroscopy measurements show that the diffusion is stronger near the Al interface evanishing as the number of ZnO layers is increased. The performance of the AZO transparent electrode was evaluated by using it in Schottky and PN hybrid diodes. The diodes were characterized by electrical current and capacitance measured in the function of the voltage and show a set of parameter values, in agreement with the literature, which was used as a reference for the data analyses. The value of potential barrier (ΦB), series resistance (RS), and built-in potential (V0) of PN hybrids diodes was 0,7 eV, 4,7 kΩ, and 1,8 V, respectively. These results associated with the AZO electrode show that the PN diode is suitable for photodetectors applications.