Erhebliche Verbesserung von MgZnO-Metall-Halbleiter-Metall-Photodetektoren durch Kopplung mit Pt-Nanopartikel-Oberflächenplasmonen

Hintergrund

ZnO ist ein attraktiver Oxidhalbleiter mit großer direkter Bandlücke (~ 3,37 eV), der sich durch Strahlungshärte und Umweltfreundlichkeit auszeichnet. Diese Eigenschaften machen es für die Herstellung von optoelektronischen Geräten mit kurzer Wellenlänge, wie beispielsweise UV-Photodetektoren, geeignet. Aufgrund der Unreife der p-Dotierung und anderer verwandter Sonnenschutztechnologien ist die Leistung von ZnO-basierten UV-Photodetektoren jedoch immer noch geringer als erwartet. Für die Herstellung von Hochleistungs-UV-Photodetektoren auf ZnO-Basis ist eine gängige und effektive Methode die Verbesserung der Materialqualität und die Optimierung der Gerätetechnologie, jedoch in der Regel ein langfristiger Prozess [1,2,3,4,5,6 ,7].

In letzter Zeit wurde SPs wegen ihrer grundlegenden wissenschaftlichen Bedeutung und vielversprechenden praktischen Anwendungen viel Aufmerksamkeit geschenkt. Die SPs können in Beschichtungen auf der Oberfläche von Metall-NPs durch Magnetron-Sputtern realisiert werden. Die Metall-NPs auf der Oberfläche können die Streuung der einfallenden Photonen verstärken und bewirken, dass mehr Photonen das Substrat erreichen, und somit kann die Absorption der Photonen verbessert werden [8,9,10,11,12,13,14,15, 16,17,18]. In vielen neueren Studien werden Ag-Nanopartikel als besseres Material angesehen. Aber Ag könnte an der ZnO-Ag-Grenzfläche oxidiert worden sein, um schließlich eine Schicht aus Silberoxid (AgO) zu bilden [19]. Als eine Art neuartiges und stabiles Metall in der Welt war das Platin (Pt)-Element ein wichtiger Kandidat des plasmonischen Materials, dessen SPs im UV-Bereich liegen. Darüber hinaus wurde für die MgZnO-Photodetektoren vorzugsweise eine Metall-Halbleiter-Metall-(MSM)-Struktur gewählt, mit den Vorteilen einer planaren Bauelementstruktur, einer schnellen Photoreaktion und einem einfachen Herstellungsprozess. Die kombinierten Auswirkungen von Barrierehöhe und Verarmungsbreite wurden jedoch nur in begrenztem Umfang systematisch untersucht, obwohl dies den Fortschritt der praktischen Anwendung und der perfekten Grundlagenphysik fördern könnte. In dieser Arbeit wurden MgZnO-UV-Photodetektoren mit unterschiedlichen aktiven Schichten und Elektrodenabständen entworfen und hergestellt.

In diesem Artikel stellten wir MgZnO-MSM-UV-Photodetektoren her, die mit SPs unterstützt wurden, die durch das Hochfrequenz-Magnetron-Sputtering-Abscheidungsverfahren hergestellt wurden. Am wichtigsten ist, dass die Empfindlichkeit der Photodetektoren durch Sputtern von metallischen Pt-NPs auf die Oberfläche des Bauelements verbessert wurde. Um SPs zu demonstrieren, sind durch den Vergleich mit Elektrodenabständen von 3, 5 und 8 μm die Ansprechempfindlichkeit größerer Abstände wiederum mehr SPs kleiner als andere. Theoretisch werden dann mehr SPs, mehr photogenerierte Elektron-Loch-Paare erzeugt und der Photostrom entsprechend erhöht. Zu unserer Überraschung wurden aufgrund der Empfindlichkeit größerer Abstandsstichproben mehr SPs gesammelt, die kleiner sind als andere, was zeigt, dass diese Methode eine leistungsstarke Ergänzung zur Verbesserung der Leistung von Photodetektoren ist.

Methoden/Experimental

Das MgZnO-Target wurde durch Sintern einer Mischung aus 99,99 % reinem MgO- und ZnO-Pulver bei 1000 °C für 10 h in Luftumgebung hergestellt und dann auf ein Zink-Target gelegt. (Die beiden Targets sind durch den leitenden Hochtemperatur-Abgriff eng verbunden. Der Durchmesser des Zn-Targets beträgt 7 cm.) Der MgZnO-Strahlfluss wird eindeutig vom Zn-Strahlfluss umschlossen, wodurch der Verlust von Zn-Atomen effektiv reduziert wird [20] . Die Zusammensetzung des MgZnO-Films kann selbst bei hoher Substrattemperatur leicht kontrolliert werden.

Die Quarzsubstrate wurden nacheinander 30 Minuten lang mit Aceton, Ethanol und entionisiertem Wasser gereinigt und dann vor der Abscheidung mit Luft trockengeblasen. Der MgZnO-Film wurde zuerst auf dem Quarzsubstrat mit einem Gesamtdruck von 3 Pa, einer Sputterleistung von 120 W bei Raumtemperatur aufgewachsen. Schließlich wurden die obersten Au-Fingerelektroden durch Lithographie und Nassätzen hergestellt, die 500 μm lang und 5 μm breit waren, mit Abständen von 3, 5 und 8 μm, und die Summe der Fingerpaare betrug 15 (Abb. 1 zeigt). das Schema des Fotodetektors).

Das 3D-Schema von Mg_0,24 Zn_0,76 O UV-PDs mit MSM-Struktur

Die Phasenidentifikation des MgZnO-Films wird durch das Rigaku Ultima VI Röntgendiffraktometer (XRD) mit Cu Kα-Strahlung (λ = 1,54184 Å) bei 40 kV und 20 mA charakterisiert. Für die Absorptionsspektren im Wellenlängenbereich von 200 bis 700 nm wird ein PerkinElmer Lambda 950 Spektrometer verwendet. Die Strom-Spannungs-Eigenschaften (I-V) der MgZnO-Photodetektoren werden unter einer Vorspannung von 20 V mit einer Agilent 16442A-Testvorrichtung gemessen. Die spektrale Empfindlichkeit der MgZnO-Photodetektoren wird mit einem Zolix DR800-CUST aufgezeichnet.

Ergebnisse und Diskussion

Die XRD-Muster der MgZnO-Filme in verschiedenen Sputterzeiten sind in Abb. 2 gezeigt. Hier ist ein Beugungspeak bei etwa 34,84 °, der auf die (002)-Ebene von MgZnO indiziert werden kann, und bedeutet, dass MgZnO-Filmkristalle normalerweise entlang der c . hergestellt -Achse. Die Intensitäten der MgZnO-Peaks ohne Pt-NP und mit gesputtertem Pt-NP sind nahezu gleich, was beweisen kann, dass die Sputter-Abscheidung von Pt-NPs auf der Oberfläche von MgZnO-Filmen keinen Einfluss auf die Kristallqualität der Filme hatte. Abbildung 3 veranschaulicht die optischen Absorptionsspektren der MgZnO-Filme ohne Pt-NPs und mit gesputterten Pt-NP-MgZnO-Filmen [21, 22]; das Ergebnis legt nahe, dass die Absorptionsverstärkung für den Detektor mit Pt-NPs im abgeschiedenen Zustand aufgrund von SP-Modi auftritt. Im Vergleich zum reinen MgZnO-Film ist die Absorption der mit Pt-NPs beschichteten MgZnO-Filme im Spektralbereich verbessert. Gleichzeitig wurden die MgZnO-Filme mit einem energiedispersiven Spektrometer (EDS) charakterisiert, und die Magnesiumkonzentration beträgt etwa 24 % (Einschub in Abb. 3). Eine REM-Aufnahme in der Ebene der MgZnO-Oberfläche mit 20 s langem Sputtern mit Pt-NPs ist in Abb. 4 gezeigt. Der durchschnittliche Durchmesser der Pt-NPs beträgt etwa 6,26 ± 0,50 nm.

Die XRD-Spektren des Mg_0,24 Zn_0,76 O-Film

UV-sichtbare Absorptionsspektren des Mg_0,24 Zn_0,76 O-Film

REM-Aufnahme in der Ebene einer MgZnO-Oberfläche mit Sputtern für 20 s, mit Pt-NPs

Abbildung 5 zeigt die Empfindlichkeit der MgZnO-Fotodetektoren (mit unterschiedlichem Elektrodenabstand) gegenüber der Wellenlänge des einfallenden Lichts bei einer Vorspannung von 5 V. Die Tendenzen zur Verbesserung der Empfindlichkeit wurden durch das Dekorieren der Pt-NPs vollständig erhöht. Bemerkenswerterweise nehmen unter den gleichen Bedingungen alle Fotodetektoren mit abnehmendem Elektrodenabstand (3, 5 und 8 μm) zu. Daher ist die dominierende Komponente der Empfindlichkeitssteigerung der Effekt der Pt-NPs. Die Ergebnisse zeigen, dass der Verstärkungsbereich des Ansprechverhaltens leicht gesteuert werden kann, was sich von herkömmlichen Verfahren wie der Änderung der Vorspannung unterscheidet. Zu unserer Überraschung wurden aufgrund der Ansprechempfindlichkeit größerer Abstandsstichproben mehr SPs gesammelt, die kleiner sind als andere. Da mehr SPs erscheinen, werden theoretisch dann mehr photogenerierte Elektron-Loch-Paare erzeugt und der Photostrom entsprechend erhöht. Das Phänomen widerspricht der Theorie. Die nichtlinearen I-V-Kennlinien (in Abb. 6) für die MgZnO-Photodetektoren zeigen, dass die klassischen Schottky-Metall-Halbleiter-Kontakte erreicht wurden. Es wird auch gezeigt, dass der Dunkelstrom mit abnehmendem Elektrodenabstand bei gleicher Vorspannung größer wird, was durch die Verarmungsbreite des Metall-Halbleiter-Übergangs erklärt werden kann.

Die Empfindlichkeit der MgZnO-Photodetektoren (mit unterschiedlichem Elektrodenabstand) gegenüber der Wellenlänge des einfallenden Lichts bei 5 V Vorspannung

Die nichtlinearen I-V-Kennlinien der MgZnO-Photodetektoren zeigen, dass die klassischen Schottky-Metall-Halbleiter-Kontakte erreicht wurden

Um die Natur des interessanten Phänomens aufzudecken, werden zwei mögliche Gründe als Ursache vorgeschlagen, die zwischen der erhöhten Empfindlichkeit und dem Dunkelstrom resultieren:(1) Um die idealen kombinatorischen Targets von MgZnO-Photodetektoren zu erhalten, verwenden wir Pt-NPs, um das Gerät zu modifizieren wieder. Das einfallende Licht passender Wellenlänge wechselwirkt mit den Metall-NPs effizient über Streuquerschnitte, die viel größer sind als seine geometrischen Querschnitte durch Kopplung mit SPs. Der Mechanismus für den plasmonischen Streueffekt ist in der Literatur beschrieben. Somit erhält das Streulicht dann eine gewisse Winkelverteilung in der MgZnO-Schicht. Als Ergebnis durchläuft das einfallende Licht mehrmals den Halbleiter, wodurch die effektive optische Weglänge erhöht wird. Noch wichtiger ist, dass eine Erhöhung der optischen Weglänge die Lichtabsorption verbessern kann. Die Photoreaktionsspektren der mit Pt-NPs waren allmählich höher als die der ohne Pt-NPs (Abb. 7a zeigt das Schema der SPs). (2) Die Verarmungsbreite (W ) erklärt, warum die Empfindlichkeit aller MgZnO-Photodetektoren mit abnehmendem Elektrodenabstand bei gleicher Vorspannung zunimmt. Die Verarmungsbreite kann beschrieben werden als [23]

wo ɛ ₀ ist die absolute Dielektrizitätskonstante, ɛ ₁ ist die relative Dielektrizitätskonstante, ψ ₀ ist das eingebaute Potenzial, V ist die Vorspannung, q die Elektronenladung ist und N _d ist die Donorkonzentration. Wenn der Elektrodenabstand zunimmt, nimmt die Fläche des Halbleiterdünnfilms zu, was sich auf die Zunahme des effektiven Widerstands bezieht. ɛ ₀ , ɛ ₁ , ψ ₀ , V , q , und N _d sind unveränderlich, was zu einer Verbreiterung mit zunehmendem Elektrodenabstand führt, was zu einer Abnahme der auf den Verarmungsbereich wirkenden Spannung führt. Man sieht nur die Bias-Effekte der Verarmungsbreite; die an den Verarmungsbereich angelegte Spannung verringert sich mit zunehmendem Elektrodenabstand. Daher würden alle durch Licht erzeugten Ladungsträger in diesem Bereich durch das hohe elektrische Feld weggefegt und zu den Metallelektroden driften. Somit nimmt die Menge der durch Licht erzeugten Ladungsträger zu, wodurch der Trend der Ansprechempfindlichkeit entgegen dem Abstand zunimmt (Abb. 7b zeigt das Schema der Verarmungsbreite). Alle Fotodetektoren nehmen jedoch mit abnehmendem Elektrodenabstand (3, 5 und 8 μm) zu; bei gleicher NP-Größe und -Dichte führt ein größerer Elektrodenabstand zu mehr angeregten NPs; und dann ist die Fähigkeit des Nahfeldes an den Halbleiter gekoppelt, stärker. Dann werden mehr photogenerierte Elektron-Loch-Paare erzeugt und der Photostrom wird dementsprechend theoretisch erhöht. Es ist erwähnenswert, dass die Ansprechempfindlichkeit aller Fotodetektoren mit abnehmendem Elektrodenabstand (3, 5 und 8 μm) zunimmt und die Vorspannung konstant ist. Wie oben erwähnt, konzentriert sich der dominierende Faktor auf die Verarmungsbreite, um dieses interessante Phänomen zu erklären. Alle Ergebnisse zeigen einen praktikablen Weg zur Verbesserung der Ansprechempfindlichkeit von SPs. Hier gehen im Vergleich zu anderen gängigen Materialien oder bisherigen Photodetektoren viele Zn-Atome beim Wachstumsprozess verloren, was auf den höheren Dampfdruck von Mg im Vergleich zu Zn zurückzuführen ist. Aufgrund des Mangels an Zn-Atomen wird es viele Defekte in den Filmen geben. Die Fototräger werden durch die Defekte verstärkt, und die Ansprechempfindlichkeit der sonnenblinden Fotodetektoren wird stark reduziert. Aufgrund des Verlustes von Zn-Atomen sind außerdem die Unordnung und Fluktuation der Gehalte schwer zu vermeiden, und es folgt das Schleppschweifphänomen der Absorptionskante. Als Ergebnis nimmt das UV-Vis-Unterdrückungsverhältnis ab, was mit der Verringerung der Detektivität einhergeht. Folglich kann die Steuerung des stöchiometrischen Verhältnisses in den Filmen ein Weg sein, die Leistung der MgZnO-Photodetektoren zu verbessern. Die SPs können in Beschichtungen auf der Oberfläche von Metall-NPs durch Magnetron-Sputtern realisiert werden. Die Metall-NPs auf der Oberfläche können die Streuung der einfallenden Photonen verstärken und bewirken, dass mehr Photonen das Substrat erreichen, und somit kann die Absorption der Photonen verbessert werden. Theoretisch werden dann mehr SPs, mehr photogenerierte Elektron-Loch-Paare erzeugt und der Photostrom entsprechend erhöht. Um SPs zu demonstrieren, indem man mit Elektrodenabständen von 3, 5 und 8 μm die Ansprechempfindlichkeit größerer Abstände vergleicht, sind wiederum mehr SPs kleiner als andere.

a Das Schema von SPs. b Das Schema der Verarmungsbreite

Schlussfolgerungen

Um die idealen MgZnO-Photodetektoren zu erhalten, haben wir MgZnO-MSM-UV-Photodetektoren mit unterschiedlichen Elektrodenabständen (3, 5 und 8 μm) hergestellt. Dann haben wir einen neuartigen Ansatz (wir verwenden Pt-NPs, um das Gerät zu modifizieren), um die Leistung der Geräte zu erhöhen. Zu unserer Überraschung wurden durch den Vergleich der Ansprechempfindlichkeit größerer Abstandsstichproben mehr SPs gesammelt, die wiederum kleiner sind als andere. Wir haben die größere Verarmungsbreite detailliert beschrieben, um die optimierte Ansprechempfindlichkeit zu erklären, und wir schlagen vor, dass die SPs von Pt-NPs die Streuung des einfallenden Lichts verbessert haben, was für weitere Untersuchungen in Filmphotodetektoren von Vorteil ist. Weitere Studien zur Entwicklung hochwertiger MgZnO-UV-Photodetektoren sind im Gange.

Abkürzungen

AgO:

Silberoxid

EDS:

Energiedispersives Spektrometer

MSM:

Metall-Halbleiter-Metall

NPs:

Nanopartikel

SPs:

Oberflächenplasmonen

UV:

Ultraviolett