Значительное улучшение фотодетекторов MgZnO металл-полупроводник-металл за счет взаимодействия с поверхностными плазмонами наночастиц Pt

Фон

ZnO представляет собой привлекательный оксидный полупроводник с широкой прямой запрещенной зоной (~ 3,37 эВ), отличающийся радиационной стойкостью и безопасностью для окружающей среды. Эти характеристики делают его пригодным для изготовления коротковолновых оптоэлектронных устройств, таких как УФ-фотодетекторы. Однако из-за незрелости легирования p-типа и других связанных с ними солнцезащитных технологий производительность УФ-фотодетекторов на основе ZnO все еще ниже, чем ожидалось. Для изготовления высокопроизводительных УФ-фотоприемников на основе ZnO распространенным и эффективным методом является улучшение качества материала и оптимизация технологии устройства, но обычно это длительный процесс [1,2,3,4,5,6 , 7].

В последнее время большое внимание уделяется СП из-за их фундаментальной научной значимости и перспективности практического применения. СП могут быть реализованы в покрытиях на поверхности металлических НЧ методом магнетронного распыления. НЧ металлов на поверхности могут усиливать рассеяние падающих фотонов и заставлять большее количество фотонов достигать подложки, и, таким образом, поглощение фотонов может быть увеличено [8,9,10,11,12,13,14,15, 16,17,18]. Во многих недавних исследованиях наночастицы Ag считаются лучшим материалом. Но Ag мог быть окислен на границе раздела ZnO-Ag с образованием в конечном итоге слоя оксида серебра (AgO) [19]. Как своего рода новый металл со стабильными свойствами в мире, платиновый (Pt) элемент был важным кандидатом в плазмонный материал, SP которого лежат в УФ-диапазоне. Кроме того, для MgZnO-фотоприемников предпочтительно была выбрана структура металл-полупроводник-металл (МСМ), обладающая преимуществами планарной структуры устройства, быстрым фотооткликом и простотой процесса изготовления. Однако было проведено довольно ограниченное систематическое исследование комбинированных эффектов высоты барьера и ширины истощения, даже несмотря на то, что оно могло способствовать прогрессу в практическом применении и совершенной фундаментальной физике. В этой работе были спроектированы и изготовлены УФ-фотоприемники MgZnO с различными активными слоями и межэлектродным расстоянием.

В данной работе были изготовлены УФ-фотоприемники MgZnO MSM с использованием СЧ, полученных методом радиочастотного магнетронного напыления. Наиболее важно то, что чувствительность фотоприемников повышалась за счет распыления металлических наночастиц Pt на поверхность устройства. Чтобы продемонстрировать SP, тогда, сравнивая с расстоянием между электродами 3, 5 и 8 мкм чувствительность большего расстояния, большее количество SP в свою очередь меньше других. Теоретически затем создается больше SP, больше фотогенерируемых электронно-дырочных пар и соответственно увеличивается фототок. К нашему удивлению, из-за чувствительности образца с большим интервалом было собрано больше SP, которые меньше других, что демонстрирует, что этот метод является мощным дополнением для повышения производительности фотодетекторов.

Методы / экспериментальные

Мишень из MgZnO была приготовлена ​​путем спекания смеси порошков MgO и ZnO с чистотой 99,99% при 1000 ° C в течение 10 ч на воздухе, затем была помещена на цинковую мишень. (Две мишени плотно соединены высокотемпературным проводящим отводом. Диаметр мишени из цинка составляет 7 см.) Очевидно, поток пучка MgZnO будет ограничен потоком пучка цинка, эффективно уменьшая потерю атомов Zn [20] . Состав пленки MgZnO можно легко контролировать даже при высокой температуре подложки.

Кварцевые подложки в течение 30 мин последовательно очищали ацетоном, этанолом и деионизированной водой, затем перед осаждением продували воздухом. Пленка MgZnO сначала была выращена на кварцевой подложке при общем давлении 3 Па и мощности распыления 120 Вт при комнатной температуре. Наконец, с помощью литографии и влажного травления были изготовлены верхние электроды из золота с пальцами, которые имели длину 500 мкм и ширину 5 мкм с шагом 3, 5 и 8 мкм, а сумма пар пальцев составляла 15 (на рис. Схема фотоприемника).

Трехмерная схема Mg _0.24 Zn _0,76 O УФ ФД со структурой МСМ

Фазовая идентификация пленки MgZnO характеризуется рентгеновским дифрактометром (XRD) Rigaku Ultima VI с Cu Kα-излучением (λ =1,54184 Å) при 40 кВ и 20 мА. Спектрометр PerkinElmer Lambda 950 используется для спектров поглощения в диапазоне длин волн от 200 до 700 нм. Вольт-амперные характеристики (ВАХ) фотодетекторов MgZnO измеряются при напряжении смещения 20 В с помощью испытательной арматуры Agilent 16442A. Спектральный отклик для фотоприемников MgZnO регистрируется с помощью Zolix DR800-CUST.

Результаты и обсуждение

Картины рентгеновской дифракции пленок MgZnO при разном времени распыления показаны на рис. 2. Здесь показан дифракционный пик, расположенный примерно при 34,84 °, который может быть отнесен к плоскости (002) MgZnO, и это означает, что кристаллы пленок MgZnO имеют вид обычно изготавливается по c -ось. Интенсивности пиков Pt NPs и MgZnO без Pt и с распылением почти одинаковы, что может свидетельствовать о том, что нанесение Pt методом распыления наносится на поверхность пленок MgZnO и не влияет на кристаллическое качество пленок. На рис. 3 представлены спектры оптического поглощения НЧ Pt и пленок MgZnO без Pt и с напылением [21, 22]; результат предполагает, что усиление поглощения происходит для детектора с наночастицами Pt после осаждения из-за SP-мод. По сравнению с исходной пленкой MgZnO поглощение пленок MgZnO, покрытых наночастицами Pt, увеличено в спектральном диапазоне. Одновременно пленки MgZnO были охарактеризованы энергодисперсионным спектрометром (EDS), концентрация магния составляет около 24% (вставка на рис. 3). СЭМ-изображение в плоскости поверхности MgZnO с распылением в течение 20 с с НЧ Pt показано на рис. 4. Средний диаметр НЧ Pt составляет около 6,26 ± 0,50 нм.

Спектры XRD Mg _0,24 Zn _0,76 О фильм

Спектры поглощения Mg _0,24 в УФ-видимой области Zn _0,76 О фильм

СЭМ-изображение в плоскости поверхности MgZnO с напылением в течение 20 с, с НЧ Pt

На рис. 5 показана зависимость чувствительности фотодетекторов MgZnO (с различным расстоянием между электродами) от длины волны падающего света при напряжении смещения 5 В. Тенденции повышения чувствительности были полностью увеличены за счет декорирования НЧ Pt. Примечательно, что при одинаковых условиях все фотоприемники увеличиваются с уменьшением расстояния между электродами (3, 5 и 8 мкм). Следовательно, доминирующим компонентом повышения чувствительности является влияние НЧ Pt. Результаты показывают, что диапазоном увеличения чувствительности можно легко управлять, что отличается от традиционных методов, таких как изменение напряжения смещения. К нашему удивлению, из-за чувствительности выборки с большим интервалом было собрано больше SP, которые меньше других. Теоретически, поскольку появляется больше SP, создается больше фото-генерируемых электронно-дырочных пар, и соответственно увеличивается фототок. Явление не согласуется с теорией. Нелинейные ВАХ (показанные на рис. 6) для фотоприемников MgZnO показывают, что были достигнуты классические контакты металл-полупроводник Шоттки. Также показано, что темновой ток увеличивается с уменьшением расстояния между электродами при том же смещении, что можно объяснить шириной обеднения перехода металл-полупроводник.

Чувствительность фотоприемников MgZnO (с различным расстоянием между электродами) в зависимости от длины волны падающего света при смещении 5 В

Нелинейные ВАХ для фотоприемников MgZnO показывают, что были достигнуты классические контакты металл-полупроводник Шоттки

Чтобы раскрыть природу интересного явления, в качестве причины, которая возникает между повышенной чувствительностью и темновым током, предлагаются две возможные причины:(1) Чтобы получить идеальные комбинаторные мишени для фотодетекторов MgZnO, мы используем Pt NP для модификации устройства. снова. Падающий свет соответствующей длины волны взаимодействует с металлическими НЧ эффективно по сечениям рассеяния, намного превышающим его геометрические сечения, посредством взаимодействия с ПП. Механизм эффекта плазмонного рассеяния описан в литературе. Таким образом, рассеянный свет приобретает определенный угловой разброс в слое MgZnO. В результате падающий свет будет проходить через полупроводник несколько раз, увеличивая эффективную длину оптического пути. Что еще более важно, увеличение длины оптического пути может улучшить поглощение света. Спектры фотоотклика устройств с НЧ Pt постепенно увеличивались по сравнению с приборами без НЧ Pt (на рис. 7а показана схема СЧ). (2) Ширина истощения ( W ) объясняет, почему чувствительность всех фотоприемников MgZnO увеличивается с уменьшением расстояния между электродами при том же смещении. Ширина истощения может быть описана как [23]

где ɛ ₀ абсолютная диэлектрическая проницаемость, ɛ ₁ относительная диэлектрическая проницаемость, ψ ₀ - встроенный потенциал, V напряжение смещения, q - заряд электрона, а N _d - концентрация донора. По мере увеличения расстояния между электродами площадь тонкой полупроводниковой пленки будет увеличиваться, что означает увеличение эффективного сопротивления. ɛ ₀ , ɛ ₁ , ψ ₀ , V , q , и N _d являются инвариантами, что приводит к расширению с увеличением расстояния между электродами, что приводит к снижению напряжения, действующего на обедненную область. Можно видеть только эффекты смещения ширины истощения; напряжение, приложенное к обедненной области, уменьшается с увеличением расстояния между электродами. Следовательно, любые фотогенерированные носители в этой области будут уноситься сильным электрическим полем и дрейфовать к металлическим электродам. Таким образом, количество фотогенерируемых носителей будет увеличиваться, делая тенденцию чувствительности противоположной увеличению расстояния (рис. 7b показывает схему ширины истощения). Однако все фотоприемники увеличиваются с уменьшением расстояния между электродами (3, 5 и 8 мкм); при том же размере и плотности НЧ большее расстояние между электродами имеет больше возбужденных НЧ; и тогда способность ближнего поля связана с полупроводником сильнее. Затем создается больше фотогенерируемых электронно-дырочных пар, и теоретически соответственно увеличивается фототок. Стоит отметить, что чувствительность всех фотоприемников увеличивается с уменьшением расстояния между электродами (3, 5 и 8 мкм), а напряжение смещения остается постоянным. Как упоминалось выше, для объяснения этого интересного явления доминирующим фактором является ширина истощения. Все результаты показывают реальный путь улучшения реакции СП. Здесь, по сравнению с другими обычно используемыми материалами или предыдущими фотодетекторами, много атомов Zn теряется в процессе роста, что связано с более высоким давлением пара Mg по сравнению с Zn. В нем будет образовываться много дефектов в пленках из-за недостатка атомов Zn. Фотоносители будут усугубляться дефектами, и чувствительность солнечных слепых фотоприемников будет значительно снижена. Кроме того, из-за потери атомов Zn трудно избежать беспорядка и флуктуации содержания, и последует явление "хвоста" края поглощения. В результате коэффициент подавления УФ-видимого излучения будет снижаться вместе с уменьшением обнаружительной способности. Следовательно, регулирование стехиометрического соотношения в пленках может быть способом улучшения характеристик фотодетекторов MgZnO. СП могут быть реализованы в покрытиях на поверхности металлических НЧ методом магнетронного распыления. НЧ металлов на поверхности могут усиливать рассеяние падающих фотонов и заставлять большее количество фотонов достигать подложки, и, таким образом, поглощение фотонов может быть увеличено. Теоретически затем создается больше SP, больше фотогенерируемых электронно-дырочных пар и соответственно увеличивается фототок. Чтобы продемонстрировать SP, сравнивая с шагом электродов 3, 5 и 8 мкм чувствительность большего расстояния, большее количество SP в свою очередь меньше других.

а Схема ИП. б Схема ширины истощения

Выводы

Чтобы получить идеальные фотоприемники MgZnO, мы изготовили ультрафиолетовые фотоприемники MgZnO MSM с различным расстоянием между электродами (3, 5 и 8 мкм). Затем у нас есть новый подход (мы используем Pt NP для модификации устройства) для повышения производительности устройств. К нашему удивлению, сравнивая с ними чувствительность выборки с большим интервалом, было собрано больше SP, которые в свою очередь меньше других. Мы подробно описали более широкую ширину обеднения, чтобы объяснить оптимальную чувствительность, и мы предполагаем, что SP наночастиц Pt увеличили рассеяние падающего света, что полезно для дальнейших исследований в пленочных фотодетекторах. В настоящее время ведутся дальнейшие исследования по разработке высококачественных УФ-фотоприемников MgZnO.

Сокращения

AgO:

Оксид серебра

EDS:

Энергодисперсионный спектрометр

MSM:

Металл-полупроводник-металл

НП:

Наночастицы

SP:

Поверхностные плазмоны

UV:

Ультрафиолет