Повышение производительности MgZnO MSM фотодетектора с поверхностными плазмонами Pt наночастиц

Аннотация

Мы предложили и продемонстрировали MgZnO металл-полупроводник-металл (MSM) ультрафиолетовые фотодетекторы (UV), усиленные поверхностными плазмонами (SP), приготовленные радиочастотным магнетронным распылением. После декорирования их поверхности Pt наночастицами (NPs), ответственность всех фото-детекторов с интервалом электродов (3, 5 и 8 мкм) была драматически усилена; к нашему удивлению, сравнивая с ними ответственность образца с большим интервалом, больше SP собирались, которые меньше других в свою очередь. Физический механизм, сфокусированный на SP и зоне истощения, дан для объяснения вышеуказанных результатов.

Введение

ZnO — привлекательный широкий прямой запрещенный зазор (~3,37 эВ) оксидный полупроводник, обладающий радиационной стойкостью и экологической дружелюбие. Эти характеристики делают его подходящим для фабрикации коротковолновых оптоэлектронных приборов, таких как UV фотодетекторы. Однако из-за незрелости p-типа дозирования и других связанных солярно-слепых технологий, производительность ZnO-базированных UV фотодетекторов все еще ниже ожидаемой. Для фабрикации высокопроизводительных ZnO-базированных UV фотодетекторов распространенный и эффективный метод — улучшение качества материала и оптимизация технологии прибора, но это обычно длительный процесс.

Недавно много внимания уделялось SP за их фундаментальное научное значение и перспективные практические применения. SP могут быть реализованы в покрытиях на поверхности металлических NPs магнетронным распылением. Металлические NPs на поверхности могут усилить рассеяние падающих фотонов и заставить больше фотонов достигать подложки, и таким образом поглощение фотонов может быть усилено. Во многих недавних исследованиях Ag наночастицы считаются лучшим материалом. Но Ag мог быть окислен на интерфейсе ZnO-Ag, образуя слой оксида серебра (AgO) в конечном счете. Как новый вид металла со стабильными свойствами в мире, платина (Pt) была важным кандидатом плазмонного материала, чьи SP лежат в UV диапазоне. Кроме того, металл-полупроводник-металл (MSM) структура была предпочтительно выбрана для MgZnO фотодетекторов, с преимуществами плоской структуры прибора, быстрого фотоотклика и простоты в процессе фабрикации. Однако было довольно ограниченное систематическое исследование комбинированных эффектов барьерной высоты и зоны истощения, хотя это могло бы способствовать прогрессу практического применения и совершенствованию фундаментальной физики. В этой работе MgZnO UV фотодетекторы с разными активными слоями и интервалами электродов были спроектированы и фабрикованы.

В этой статье мы фабриковали MgZnO MSM UV фотодетекторы, усиленные SP, приготовленные радиочастотным магнетронным распылением. Самое важное, ответственность фотодетекторов была усилена распылением металлических Pt NPs на поверхности прибора. Чтобы продемонстрировать SP, затем сравнивая с интервалом электродов 3, 5 и 8 мкм ответственность большего интервала, больше SP меньше других по очереди. В теории, больше SP, больше фотогенерированных электрон-дырочных пар тогда создаются и фототок соответственно увеличивается. К нашему удивлению, из-за ответственности образца с большим интервалом, больше SP собирались, которые меньше других, демонстрируя, что этот метод является мощным дополнением для улучшения производительности фотодетекторов.

Методы/Экспериментальная

MgZnO мишень готовилась спеканием смеси 99,99% чистых MgO и ZnO порошков при 1000 °C в течение 10 ч в воздухе, затем помещали на цинковую мишень. (Две мишени были плотно связаны высокотемпературной проводящей лентой. Диаметр Zn мишени 7 см.) Ясно, что MgZnO пучок потока будет заключен Zn пучком потока, эффективно уменьшая потерю Zn атомов. Состав MgZnO пленки может быть легко контролируем, даже при высокой температуре подложки.

Кварцевые подложки последовательно чистили 30 мин ацетоном, этанолом и деионизированной водой, затем продували сухим воздухом перед осаждением. MgZnO пленка выращивалась на кварцевой подложке первой, с общим давлением 3 Па, распылительной мощностью 120 Вт, при комнатной температуре. Наконец, верхние Au пальцевые электроды конструировали через литографию и мокрое травление, которые были 500 мкм длинными и 5 мкм широкими с 3-, 5- и 8-мкм интервалом, и сумма пар пальцев была 15 (Рис. 1 показывает схему фотодетектора).

Фазовая идентификация MgZnO пленки характеризуется Rigaku Ultima VI рентгеновским дифрактором (XRD) с Cu Kα излучением (λ = 1,54184 Å) при 40 кВ и 20 мА. PerkinElmer Lambda 950 Спектрометр используется для поглощения спектров в диапазоне длин волн 200–700 нм. Ток-вольт (I-V) характеристики MgZnO фотодетекторов измеряются под 20 В смещением используя Agilent 16442A Тестовый приспособление. Спектральный отклик для MgZnO фотодетекторов записывается используя Zolix DR800-CUST.

Результаты и обсуждение

XRD паттерны MgZnO пленок в разное время распыления показаны на Рис. 2. Здесь дифракционный пик расположен около 34,84°, который можно проиндексировать как (002) плоскость MgZnO, и это означает, что MgZnO пленки кристаллы типично фабрикованы вдоль c-оси. Интенсивности без Pt NPs и с распыленными Pt NP MgZnO пиков почти одинаковы, что может доказать, что распыленные Pt NPs осаждены на поверхности MgZnO пленок и не имели влияния на кристаллическое качество пленок. Рис. 3 иллюстрирует оптические поглощения спектры без Pt NPs и с распыленными Pt NP MgZnO пленок; результат предполагает, что усиление поглощения происходит для детектора с как-осажденными Pt NPs из-за SP мод. По сравнению с первобытной MgZnO пленкой, поглощение MgZnO пленок покрытых Pt NPs усилено в спектральном диапазоне. Одновременно MgZnO пленки характеризовались энергетико-дисперсионным спектрометром (EDS), и магниевая концентрация составляет около 24% (вставка Рис. 3). Плановые SEM изображения MgZnO поверхности с распылением 20 с, с Pt NPs, показаны на Рис. 4. Средний диаметр Pt NPs составляет около 6,26 ± 0,50 нм.

Рис. 5 показывает ответственность MgZnO фотодетекторов (с разным интервалом электродов) versus длина волны падающего света при 5 В смещении. Тенденции усиления ответственности были полностью увеличены декорированием Pt NPs. В частности, при тех же условиях все фотодетекторы увеличиваются с уменьшением интервала электродов (3, 5 и 8 мкм). Поэтому доминирующим компонентом усиления ответственности является эффект Pt NPs. Результаты указывают, что диапазон усиления ответственности может быть легко контролируем, что отличается от традиционных методов таких как изменение смещенного напряжения. К нашему удивлению, из-за ответственности образца с большим интервалом, больше SP собирались, которые меньше других. В теории, потому что больше SP появляются, больше фотогенерированных электрон-дырочных пар тогда создаются и фототок соответственно увеличивается. Феномен не согласуется с теорией. Нелинейные I-V характеристики (показаны на Рис. 6) для MgZnO фотодетекторов указывают на достижение классических Шоттки металл-полупроводник контактов. Также показано, что темновой ток увеличивается с уменьшением интервала электродов при том же смещении, что может быть объяснено зоной истощения металл-полупроводник перехода.

Для раскрытия природы интересного явления, две возможные причины предлагаются как причина, которая приводит между усиленной ответственностью и темновым током: (1) Чтобы получить идеальные комбинаторные цели MgZnO фотодетекторов, мы используем Pt NPs для модификации прибора снова. Падающий свет соответствующей длины волны взаимодействует с металлическими NPs эффективно через сечения рассеяния намного большие чем их геометрические сечения через сопряжение с SP. Механизм плазмонного рассеяния описан в литературе. Таким образом, рассеянный свет затем приобретает определенный угловой разброс в MgZnO слое. В результате падающий свет будет проходить несколько раз через полупроводник, увеличивая эффективную оптическую длину пути. Что более важно, увеличение оптической длины пути может усилить поглощение света. Фотоответные спектры с Pt NPs постепенно выше чем без Pt NP приборов (Рис. 7а показывает схему SP). (2) Зона истощения (W) объясняет, почему ответственность всех MgZnO фотодетекторов увеличивается с уменьшением интервала электродов при том же смещении. Зона истощения может быть описана как

$$ W={\left[2{\varepsilon}_0{\varepsilon}_1\left({\psi}_0+V\right)/{qN}_{\mathrm{d}}\right]}^{1/2} $$ (1)

где ε₀ — абсолютная диэлектрическая постоянная, ε₁ — относительная диэлектрическая постоянная, ψ₀ — встроенный потенциал, V — смещенное напряжение, q — электронный заряд, и N_d — донорская концентрация. По мере увеличения интервала электродов площадь полупроводниковой тонкой пленки увеличится, что относится к эффективному сопротивлению увеличивается. ε₀, ε₁, ψ₀, V, q и N_d инварианты, таким образом расширяясь по мере увеличения интервала электродов, что приводит к уменьшению напряжения, действующего на зону истощения. Можно увидеть только смещенные эффекты зоны истощения; напряжение, приложенное на зону истощения, уменьшается по мере увеличения интервала электродов. Следовательно, любые фотогенерированные носители в этой зоне будут выметаться высоким электрическим полем и дрейфовать к металлическим электродам. Таким образом, количество фотогенерированных носителей увеличится, делая тренд ответственности противоположным увеличению интервала (Рис. 7б показывает схему зоны истощения). Однако все фотодетекторы увеличиваются с уменьшением интервала электродов (3, 5 и 8 мкм); при том же размере и плотности NP, больший интервал электродов имеет больше возбужденных NPs; и тогда способность ближнего поля сопрягаться с полупроводником сильнее. Больше фотогенерированных электрон-дырочных пар тогда создаются, и фототок соответственно увеличивается в теории. Стоит отметить, что ответственность всех фотодетекторов увеличивается с уменьшением интервала электродов (3, 5 и 8 мкм) и смещенное напряжение постоянно. Как упоминалось выше, доминирующий фактор фокусируется на зоне истощения для объяснения этого интересного явления. Все результаты раскрывают практичный путь к улучшению ответственности SP. Здесь, по сравнению с другими обычно используемыми материалами или предыдущими фотодетекторами, много Zn атомов теряются в процессе роста, что обусловлено более высоким паровым давлением Mg по сравнению с Zn. Это будет иметь много дефектов формирования в пленках из-за дефицита Zn атомов. Фото носители будут рекомбинироваться дефектами, и ответственность солнечно-слепых фотодетекторов будет сильно снижена. Кроме того, из-за потери Zn атомов, беспорядок и флуктуация содержимого трудно избежать, и двух-хвостовое явление поглощения края будет следовать. В результате, UV-видимый коэффициент отвержения будет распадаться сопровождаясь снижением детектируемости. Следовательно, контроль стехиометрического соотношения в пленках может быть путем улучшения производительности MgZnO фотодетекторов. SP могут быть реализованы в покрытиях на поверхности металлических NPs магнетронным распылением. Металлические NPs на поверхности могут усилить рассеяние падающих фотонов и заставить больше фотонов достигать подложки, и таким образом поглощение фотонов может быть усилено. В теории, больше SP, больше фотогенерированных электрон-дырочных пар тогда создаются и фототок соответственно увеличивается. Чтобы продемонстрировать SP сравнивая с интервалом электродов 3, 5 и 8 мкм ответственность большего интервала, больше SP меньше других по очереди.

Заключение

Чтобы получить идеальные MgZnO фотодетекторы, мы фабриковали MgZnO MSM ультрафиолетовые фотодетекторы с разными интервалами электродов (3, 5 и 8 мкм). Затем у нас есть новый подход (мы используем Pt NPs для модификации прибора) для увеличения производительности приборов. К нашему удивлению, сравнивая с ними ответственность образца с большим интервалом, больше SP собирались, которые меньше других по очереди. Мы детально описали более широкую зону истощения, чтобы объяснить оптимизацию ответственности, и предлагаем, что SP Pt NPs усилили рассеяние падающего света, что полезно для дальнейшего исследования в пленочных фотодетекторах. Дальнейшее исследование ведется для разработки высококачественных MgZnO UV фотодетекторов.

Аббревиатуры

AgO:

Оксид серебра

EDS:

Энергетико-дисперсионный спектрометр

MSM:

Металл-полупроводник-металл

NPs:

Наночастицы

SPs:

Поверхностные плазмоны

UV:

Ультрафиолет