Steigerung der MgZnO MSM Photodetektor-Leistung durch Pt-Nanopartikel-getriebene Oberflächenplasmonen

Abstract

Wir schlugen MgZnO Metall-Halbleiter-Metall (MSM) Ultraviolett-Photodetektoren (UV) vor, die durch Oberflächenplasmonen (SPs) unterstützt werden, hergestellt via Radiofrequenz-Magnetron-Sputter-Deposition. Nach der Dekoration ihrer Oberfläche mit Pt-Nanopartikeln (NPs) wurde die Responsivität aller Elektrodenabstands-Photodetektoren (3, 5 und 8 µm) dramatisch erhöht; überraschenderweise zeigte der größere Elektrodenabstand mehr SPs, die jedoch kleiner waren als bei den anderen. Ein physikalischer Mechanismus, fokussiert auf SPs und Sperrschichtbreite, wird zur Erklärung dieser Ergebnisse gegeben.

Hintergrund

ZnO ist ein attraktiver breitbandiger Halbleiter (~3,37 eV) mit Strahlungshärte und Umweltfreundlichkeit. Diese Eigenschaften machen es geeignet für kurzwellige optoelektronische Bauelemente wie UV-Photodetektoren. Aufgrund der Unreife von p-Typ-Dotierung und verwandter solar-blind Technologie bleibt die Leistung ZnO-basierter UV-Photodetektoren jedoch hinter Erwartungen zurück. Für hochleistungsfähige ZnO-basierte UV-Photodetektoren ist eine gängige Methode die Verbesserung der Materialqualität und Optimierung der Bauelementtechnologie, was jedoch meist ein langfristiger Prozess ist [1–7].

Kürzlich erhielt die Nutzung von SPs große Aufmerksamkeit wegen ihrer fundamentalen Bedeutung und vielversprechender Anwendungen. SPs können in Beschichtungen auf Metall-NP-Oberflächen durch Magnetron-Sputtern realisiert werden. Metall-NPs auf der Oberfläche können die Streuung einfallender Photonen verstärken und mehr Photonen zum Substrat leiten, wodurch die Photonenabsorption erhöht wird [8–18]. In vielen Studien gelten Ag-Nanopartikel als besseres Material. Ag kann jedoch an der ZnO-Ag-Grenzfläche oxidieren und schließlich eine Silbersoxid-Schicht (AgO) bilden [19]. Als neuartiges, stabiles Metall ist Platin (Pt) ein wichtiger Kandidat für plasmonische Materialien, dessen SPs im UV-Bereich liegen. Zudem wurde eine Metall-Halbleiter-Metall (MSM) Struktur für MgZnO-Photodetektoren bevorzugt, mit Vorteilen wie planarer Baustruktur, schnellem Ansprechverhalten und einfacher Fertigung. Dennoch gab es eher begrenzte systematische Untersuchungen der kombinierten Effekte von Sperrschichthöhe und Sperrschichtbreite, obwohl dies den Fortschritt praktischer Anwendungen und fundamentaler Physik fördern könnte. In dieser Arbeit wurden MgZnO UV-Photodetektoren mit verschiedenen aktiven Schichten und Elektrodenabständen entworfen und gefertigt.

In dieser Arbeit fertigten wir MgZnO MSM UV-Photodetektoren an, die durch SPs unterstützt werden, hergestellt via RF-Magnetron-Sputtern. Am wichtigsten wurde die Responsivität der Photodetektoren durch Aufsputtern von Pt-NPs auf der Bauelementoberfläche erhöht. Um SPs zu demonstrieren, verglichen wir Elektrodenabstände von 3, 5 und 8 µm: die Responsivität des größeren Abstands zeigte mehr SPs, die jedoch kleiner waren als bei den anderen. Theoretisch erzeugen mehr SPs mehr photoerzeugte Elektron-Loch-Paare und erhöhen entsprechend den Photostrom. Zu unserer Überraschung zeigte der größere Elektrodenabstand aufgrund seiner Responsivität mehr SPs, die jedoch kleiner waren – was demonstriert, dass diese Methode eine leistungsstarke Ergänzung zur Leistungssteigerung von Photodetektoren darstellt.

Methoden/Experimentell

Das MgZnO-Target wurde durch Sintern eines Gemischs aus 99,99 % reinem MgO und ZnO-Pulver bei 1000 °C für 10 h in Luft hergestellt und dann auf ein Zink-Target platziert. (Die beiden Targets sind durch hochtemperaturleitendes Band eng verbunden. Der Durchmesser des Zn-Targets beträgt 7 cm.) Deutlich wird der MgZnO-Strahl vom Zn-Strahl umschlossen, was den Verlust von Zn-Atomen effektiv reduziert [20]. Die Zusammensetzung des MgZnO-Films kann leicht kontrolliert werden, selbst bei hohen Substrattemperaturen.

Quarz-Substrate wurden nacheinander 30 min mit Aceton, Ethanol und deionisiertem Wasser gereinigt, dann mit Luft trockengeblasen. Der MgZnO-Film wurde zuerst auf dem Quarz-Substrat gewachsen, mit einem Gesamtdruck von 3 Pa, einer Sputterleistung von 120 W, bei Raumtemperatur. Schließlich wurden die oberen Au-Fingerelektroden durch Lithografie und Nassätzen gefertigt, 500 µm lang und 5 µm breit mit 3-, 5- und 8-µm-Abständen, und die Summe der Fingerpaare betrug 15 (Abb. 1 zeigt das Schemabild des Photodetektors).

Die Phasenidentifikation des MgZnO-Films wurde durch einen Rigaku Ultima VI Röntgendiffraktometer (XRD) mit Cu Kα-Strahlung (λ = 1,54184 Å) bei 40 kV und 20 mA charakterisiert. Ein PerkinElmer Lambda 950 Spektrometer wurde für Absorptionsspektren im Wellenlängenbereich 200–700 nm verwendet. Strom-Spannungs-Kennlinien (I-V) der MgZnO-Photodetektoren wurden unter 20 V Bias mit einem Agilent 16442A Test Fixture gemessen. Die Spektralantwort wurde mit einem Zolix DR800-CUST aufgezeichnet.

Ergebnisse und Diskussion

XRD-Muster der MgZnO-Filme bei unterschiedlichen Sputterzeiten sind in Abb. 2 gezeigt. Ein Beugungspeak bei ~34,84° kann der (002)-Ebene von MgZnO zugeordnet werden, was bedeutet, dass MgZnO-Filme typischerweise entlang der c-Achse kristallisieren. Die Intensitäten der Peaks ohne und mit Pt-NPs sind fast identisch, was beweist, dass die aufgesputterten Pt-NPs auf der MgZnO-Filmoberfläche abgeschieden wurden und keinen Einfluss auf die Kristallqualität hatten. Abb. 3 zeigt die optischen Absorptionsspektren ohne und mit Pt-NPs [21, 22]; das Ergebnis deutet darauf hin, dass die Absorptionsverstärkung für den Detektor mit aufgesputterten Pt-NPs aufgrund von SP-Moden auftritt. Im Vergleich zum reinen MgZnO-Film ist die Absorption der mit Pt-NPs beschichteten MgZnO-Filme im Spektralbereich erhöht. Gleichzeitig wurden die MgZnO-Filme durch energiedispersive Spektroskopie (EDS) charakterisiert, und die Magnesiumkonzentration beträgt etwa 24 % (Inset von Abb. 3). Ebenen-SSEM-Bild der MgZnO-Oberfläche nach 20 s Sputtern mit Pt-NPs ist in Abb. 4 gezeigt. Der durchschnittliche Durchmesser der Pt-NPs beträgt ca. 6,26 ± 0,50 nm.

Abb. 5 zeigt die Responsivität der MgZnO-Photodetektoren (mit verschiedenen Elektrodenabständen) versus einfallender Lichtwellenlänge bei 5 V Bias. Die Responsivitätssteigerungstendenzen wurden durch die Pt-NP-Dekoration vollständig erhöht. Insbesondere steigen unter gleichen Bedingungen alle Photodetektoren mit abnehmendem Elektrodenabstand (3, 5 und 8 µm). Daher ist der dominierende Komponente der Responsivitätssteigerung der Effekt der Pt-NPs. Die Ergebnisse zeigen, dass der Verstärkungsbereich der Responsivität leicht kontrollierbar ist, was sich von konventionellen Methoden wie Bias-Spannungsänderung unterscheidet. Zu unserer Überraschung zeigte der größere Elektrodenabstand aufgrund seiner Responsivität mehr SPs, die jedoch kleiner waren als bei den anderen. Theoretisch erzeugen mehr SPs mehr photoerzeugte Elektron-Loch-Paare und der Photostrom erhöht sich entsprechend. Das Phänomen ist inkonsistent mit der Theorie. Die nicht-linearen I-V-Kennlinien (Abb. 6) für die MgZnO-Photodetektoren zeigen, dass klassische Schottky-Metall-Halbleiter-Kontakte erreicht wurden. Es zeigt sich auch, dass der Dunkelstrom bei gleichem Bias mit abnehmendem Elektrodenabstand zunimmt, was durch die Sperrschichtbreite des Metall-Halbleiter-Übergangs erklärt werden kann.

Um die Natur des interessanten Phänomens zu enthüllen, werden zwei mögliche Gründe als Ursache für den Zusammenhang zwischen verstärkter Responsivität und Dunkelstrom vorgeschlagen: (1) Um ideale kombinatorische Targets für MgZnO-Photodetektoren zu erhalten, modifizieren wir das Bauelement erneut mit Pt-NPs. Das einfallende Licht passender Wellenlänge interagiert effizient mit den Metall-NPs über Streuquerschnitte, die viel größer sind als ihre geometrischen Querschnitte, durch Kopplung mit SPs. Der Mechanismus für den plasmonischen Streueffekt wurde in der Literatur beschrieben. Dadurch erlangt das gestreute Licht eine gewisse winklige Streuung in der MgZnO-Schicht. Folglich durchläuft das einfallende Licht mehrmals den Halbleiter, was die effektive optische Pfadlänge erhöht. Wichtiger noch, die Erhöhung der optischen Pfadlänge kann die Lichtabsorption verstärken. Die Photoreaktionsspektren der mit Pt-NPs waren graduell höher als die ohne Pt-NP Bauelemente (Abb. 7a zeigt das Schema der SPs). (2) Die Sperrschichtbreite (W) erklärt, warum die Responsivität aller MgZnO-Photodetektoren bei gleichem Bias mit abnehmendem Elektrodenabstand zunimmt. Die Sperrschichtbreite kann beschrieben werden als [23]

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

wo ɛ₀ die absolute Dielektrizitätskonstante, ɛ₁ die relative Dielektrizitätskonstante, ψ₀ das eingebaute Potential, V die Bias-Spannung, q die Elektronenladung und N_d die Donatorkonzentration ist. Mit zunehmendem Elektrodenabstand vergrößert sich die Fläche des Halbleiter-Dünnfilms, was auf einen erhöhten effektiven Widerstand hinweist. ɛ₀, ɛ₁, ψ₀, V, q und N_d sind Invarianten, was zu einer Verbreiterung bei zunehmendem Elektrodenabstand führt, was zu einer Abnahme der auf den Sperrbereich wirkenden Spannung führt. Man sieht nur die Bias-Effekte der Sperrschichtbreite; die auf den Sperrbereich angewendete Spannung reduziert sich bei zunehmendem Elektrodenabstand. Daher würden alle photoerzeugten Träger in diesem Bereich durch das hohe elektrische Feld ausgefegt und zur Metallelektrode driften. Somit erhöht sich die Menge photoerzeugter Träger, was den Trend der Responsivität entgegen der Abstandszunahme macht (Abb. 7b zeigt das Schema der Sperrschichtbreite). Allerdings steigen alle Photodetektoren bei abnehmendem Elektrodenabstand (3, 5 und 8 µm) und konstanter Bias-Spannung. Wie oben erwähnt, fokussiert der dominierende Faktor auf die Sperrschichtbreite, um dieses interessante Phänomen zu erklären. Alle Ergebnisse offenbaren einen praktikablen Weg zur Verbesserung der Responsivität von SPs. Hier, im Vergleich zu anderen gängigen Materialien oder vorherigen Photodetektoren, gehen viele Zn-Atome während des Wachstumsprozesses verloren, was auf den höheren Dampfdruck von Mg im Vergleich zu Zn zurückzuführen ist. Dies führt zu vielen Defekten in den Filmen durch Zn-Mangel. Die Phototräger werden durch die Defekte rekombiniert, und die Responsivität der solar-blinden Photodetektoren wird weitgehend reduziert. Zusätzlich führt der Zn-Verlust zu unvermeidbarer Unordnung und Schwankungen des Gehalts, und der Two-Tail-Effekt der Absorptionskante folgt. Als Folge zerfällt das UV-Vis-Unterdrückungsverhältnis begleitend mit der Reduktion der Detektivität. Folglich könnte die Kontrolle des stöchiometrischen Verhältnisses in den Filmen ein Weg zur Verbesserung der Leistung von MgZnO-Photodetektoren sein. SPs können in Beschichtungen auf Metall-NP-Oberflächen durch Magnetron-Sputtern realisiert werden. Metall-NPs auf der Oberfläche können die Streuung einfallender Photonen verstärken und mehr Photonen zum Substrat leiten, wodurch die Photonenabsorption erhöht wird. Theoretisch erzeugen mehr SPs mehr photoerzeugte Elektron-Loch-Paare und der Photostrom erhöht sich entsprechend. Um SPs durch Vergleich von Elektrodenabständen 3, 5 und 8 µm zu demonstrieren, zeigt der größere Abstand mehr SPs, die jedoch kleiner sind als die anderen.

Schlussfolgerungen

Um ideale MgZnO-Photodetektoren zu erhalten, fertigten wir MgZnO MSM UV-Photodetektoren mit verschiedenen Elektrodenabständen (3, 5 und 8 µm) an. Dann nutzten wir einen neuartigen Ansatz (Pt-NPs zur Bauelementmodifikation), um die Leistung der Bauelemente zu steigern. Zu unserer Überraschung zeigte der Vergleich der Responsivität des größeren Abstands mehr SPs, die jedoch kleiner waren als die anderen. Wir detaillierten die breitere Sperrschichtbreite zur Erklärung der optimierten Responsivität und schlagen vor, dass die SPs der Pt-NPs die Streuung einfallenden Lichts verstärkt haben, was für weitere Untersuchungen an Film-Photodetektoren vorteilhaft ist. Weitere Studien zur Entwicklung hochwertiger MgZnO UV-Photodetektoren sind im Gange.

Abkürzungen

AgO:

Silberoxid

EDS:

Energiedispersive Spektroskopie

MSM:

Metall-Halbleiter-Metall

NPs:

Nanopartikel

SPs:

Oberflächenplasmonen

UV:

Ultraviolett