Amélioration significative des photodétecteurs MgZnO métal-semiconducteur-métal via couplage avec des plasmons de surface nanoparticulaires Pt

Contexte

Le ZnO est un semi-conducteur d'oxyde à large bande interdite directe attrayant (~ 3,37 eV) présentant une dureté de rayonnement et un respect de l'environnement. Ces caractéristiques le rendent adapté à la fabrication de dispositifs optoélectroniques à courte longueur d'onde, tels que les photodétecteurs UV. Cependant, en raison de l'immaturité du dopage de type p et d'autres technologies d'aveuglement solaire associées, les performances des photodétecteurs UV à base de ZnO sont toujours inférieures aux attentes. Pour la fabrication de photodétecteurs UV haute performance à base de ZnO, une méthode courante et efficace consiste à améliorer la qualité des matériaux et à optimiser la technologie du dispositif, mais il s'agit généralement d'un processus à long terme [1,2,3,4,5,6 ,7].

Récemment, une grande attention a été accordée aux SP pour leur importance scientifique fondamentale et leurs applications pratiques prometteuses. Les SP peuvent être réalisés dans des revêtements à la surface des NP métalliques par pulvérisation cathodique magnétron. Les NP métalliques à la surface peuvent améliorer la diffusion des photons incidents et faire en sorte que davantage de photons atteignent le substrat, et ainsi, l'absorption des photons peut être améliorée [8,9,10,11,12,13,14,15, 16,17,18]. Dans de nombreuses études récentes, les nanoparticules d'Ag sont considérées comme un meilleur matériau. Mais Ag aurait pu être oxydé à l'interface ZnO-Ag pour former éventuellement une couche d'oxyde d'argent (AgO) [19]. En tant que type de métal nouveau et doté de propriétés de stabilité dans le monde, l'élément platine (Pt) a été un candidat important du matériau plasmonique, dont les SP se situent dans la gamme UV. De plus, une structure métal-semiconducteur-métal (MSM) a été préférentiellement choisie pour les photodétecteurs MgZnO, avec les avantages d'une structure de dispositif planaire, d'une photo-réponse rapide et d'une simplicité dans le processus de fabrication. Cependant, il y a eu une étude systématique assez limitée des effets combinés de la hauteur de barrière et de la largeur d'appauvrissement, même si cela pourrait favoriser les progrès de l'application pratique et de la physique fondamentale parfaite. Dans ce travail, les photodétecteurs UV MgZnO avec différentes couches actives et espacements d'électrodes ont été conçus et fabriqués.

Dans cet article, nous avons fabriqué des photodétecteurs UV MgZnO MSM assistés de SP préparés par la méthode de dépôt par pulvérisation cathodique magnétron radiofréquence. Plus important encore, la réactivité des photodétecteurs a été améliorée en pulvérisant des NP de métal Pt sur la surface de l'appareil. Afin de démontrer les SP, en comparant avec un espacement des électrodes de 3, 5 et 8 μm la réactivité d'un espacement plus grand, plus de SP sont plus petits que d'autres à leur tour. En théorie, plus de SP, plus de paires électron-trou photo-générées sont alors créés et le photo-courant est augmenté en conséquence. À notre grande surprise, en raison de la réactivité d'un échantillon d'espacement plus important, davantage de SP plus petits que d'autres ont été collectés, ce qui démontre que cette méthode est un complément puissant pour l'amélioration des performances des photodétecteurs.

Méthodes/Expérimental

La cible de MgZnO a été préparée par frittage d'un mélange de poudres de MgO et de ZnO purs à 99,99 % à 1000 °C pendant 10 h dans l'air ambiant puis a été placée sur une cible de zinc. (Les deux cibles sont étroitement reliées par le robinet conducteur à haute température. Le diamètre de la cible de Zn est de 7 cm.) De toute évidence, le flux de faisceau de MgZnO sera entouré par le flux de faisceau de Zn, réduisant ainsi efficacement la perte d'atomes de Zn [20] . La composition du film MgZnO peut être contrôlée facilement, même à haute température du substrat.

Les substrats de quartz ont été successivement nettoyés 30 min avec de l'acétone, de l'éthanol et de l'eau déminéralisée, puis séchés par soufflage à l'air avant dépôt. Le film de MgZnO a d'abord été développé sur le substrat de quartz, avec une pression totale de 3 Pa, une puissance de pulvérisation de 120 W, à température ambiante. Enfin, les électrodes supérieures des doigts Au ont été construites par lithographie et gravure humide, mesurant 500 μm de long et 5 μm de large avec un espacement de 3, 5 et 8 μm, et la somme des paires de doigts était de 15 (Fig. 1 montre le schéma du photodétecteur).

Le schéma 3D de Mg_0.24 Zn_0.76 O UV PD avec structure MSM

L'identification de phase du film de MgZnO est caractérisée par le diffractomètre à rayons X (XRD) Rigaku Ultima VI avec un rayonnement Cu Kα (λ = 1,54184 Å) à 40 kV et 20 mA. Un spectromètre PerkinElmer Lambda 950 est utilisé pour les spectres d'absorbance dans la plage de longueurs d'onde de 200 à 700 nm. Les caractéristiques courant-tension (I-V) des photodétecteurs MgZnO sont mesurées sous une polarisation de 20 V à l'aide d'un appareil de test Agilent 16442A. La réponse spectrale des photodétecteurs MgZnO est enregistrée à l'aide d'un Zolix DR800-CUST.

Résultats et discussion

Les diagrammes XRD des films de MgZnO dans différents temps de pulvérisation sont illustrés à la Fig. 2. Voici un pic de diffraction situé à environ 34,84°, qui peut être indexé sur le plan (002) de MgZnO, et cela signifie que les cristaux des films de MgZnO sont généralement fabriqué le long du c -axe. Les intensités des pics sans Pt NPs et avec pulvérisation cathodique Pt NP MgZnO sont presque les mêmes, ce qui peut prouver que le dépôt par pulvérisation cathodique de Pt NPs se déposait à la surface des films de MgZnO et n'avait aucun effet sur la qualité cristalline des films. La figure 3 illustre les spectres d'absorption optique des films sans Pt NP et avec pulvérisation cathodique Pt NP MgZnO [21, 22] ; le résultat suggère que l'amélioration de l'absorption se produit pour le détecteur avec des NP de Pt telles que déposées en raison des modes SP. Par rapport au film MgZnO vierge, l'absorption du revêtement de films MgZnO avec des Pt NP est améliorée dans la gamme spectrale. Simultanément, les films de MgZnO ont été caractérisés par un spectromètre à dispersion d'énergie (EDS) et la concentration en magnésium est d'environ 24 % (encart de la figure 3). L'image SEM en vue plane de la surface de MgZnO avec pulvérisation cathodique pendant 20 s, avec des NP de Pt, est illustrée à la Fig. 4. Le diamètre moyen des NP de Pt est d'environ 6,26  ± 0,50 nm.

Les spectres XRD du Mg_0.24 Zn_0.76 O film

Spectres d'absorption UV-visible du Mg_0.24 Zn_0.76 O film

Image SEM vue en plan de la surface MgZnO avec pulvérisation cathodique pendant 20 s, avec Pt NPs

La figure 5 montre la réactivité des photodétecteurs MgZnO (avec un espacement différent des électrodes) par rapport à la longueur d'onde de la lumière incidente à une polarisation de 5 V. Les tendances d'amélioration de la réactivité ont été totalement augmentées en décorant les Pt NPs. Notamment, dans les mêmes conditions, tous les photodétecteurs augmentent avec la diminution de l'espacement des électrodes (3, 5 et 8 μm). Par conséquent, la composante dominante de l'amélioration de la réactivité est l'effet des Pt NP. Les résultats indiquent que la plage d'amélioration de la sensibilité peut être contrôlée facilement, ce qui diffère des méthodes conventionnelles telles que la tension de polarisation de changement. À notre grande surprise, en raison de la réactivité d'un échantillon à plus grand espacement, plus de SP ont été recueillis, qui sont plus petits que les autres. En théorie, parce que plus de SP apparaissent, plus de paires électron-trou photo-générées sont alors créées et le photo-courant est augmenté en conséquence. Le phénomène est en contradiction avec la théorie. Les caractéristiques I-V non linéaires (illustrées à la Fig. 6) pour les photodétecteurs MgZnO indiquent que les contacts classiques métal-semi-conducteur Schottky ont été obtenus. Il est également montré que le courant d'obscurité est agrandi avec la diminution de l'espacement des électrodes au même biais, ce qui peut s'expliquer par la largeur d'appauvrissement de la jonction métal-semi-conducteur.

La réactivité des photodétecteurs MgZnO (avec différents espacements d'électrodes) par rapport à la longueur d'onde de la lumière incidente à une polarisation de 5 V

Les caractéristiques I-V non linéaires des photodétecteurs MgZnO indiquent que les contacts classiques métal-semi-conducteur Schottky ont été obtenus

Pour révéler la nature du phénomène intéressant, deux raisons possibles sont proposées comme cause qui résulte entre la réactivité améliorée et le courant d'obscurité :(1) Afin d'obtenir les cibles combinatoires idéales des photodétecteurs MgZnO, nous utilisons des Pt NP pour modifier le dispositif encore. La lumière incidente de longueur d'onde correspondante interagit avec les NP métalliques de manière efficace sur des sections efficaces de diffusion beaucoup plus grandes que ses sections efficaces géométriques par couplage avec les SP. Le mécanisme de l'effet de diffusion plasmonique a été décrit dans la littérature. Ainsi, la lumière diffusée acquiert alors un certain étalement angulaire dans la couche de MgZnO. En conséquence, la lumière incidente traversera plusieurs fois le semi-conducteur, augmentant la longueur effective du chemin optique. Plus important encore, l'augmentation de la longueur du chemin optique peut améliorer l'absorption de la lumière. Les spectres de photoréponse des dispositifs avec Pt NP étaient progressivement plus élevés que ceux des dispositifs sans Pt NP (Fig. 7a montre le schéma des SP). (2) La largeur d'épuisement (W ) explique pourquoi la sensibilité de tous les photodétecteurs MgZnO augmente avec la diminution de l'espacement des électrodes à la même polarisation. La largeur d'épuisement peut être décrite comme [23]

où ɛ ₀ est la constante diélectrique absolue, ɛ ₁ est la constante diélectrique relative, ψ ₀ est le potentiel intégré, V est la tension de polarisation, q est la charge électronique, et N _d est la concentration des donneurs. Au fur et à mesure que l'espacement des électrodes augmente, la surface du film mince semi-conducteur augmentera, ce qui fait référence à l'augmentation de la résistance effective. ɛ ₀ , ɛ ₁ , ψ ₀ , V , q , et N _d sont invariants, entraînant ainsi un élargissement à mesure que l'espacement des électrodes augmente, entraînant une diminution de la tension agissant sur la région d'appauvrissement. On ne voit que les effets de biais de la largeur d'épuisement; la tension appliquée sur la région d'appauvrissement est qu'elle diminue à mesure que l'espacement des électrodes augmente. Par conséquent, tous les porteurs photo-générés dans cette région seraient balayés par le champ électrique élevé et dériveraient vers les électrodes métalliques. Ainsi, la quantité de porteurs photo-générés augmentera, rendant la tendance de la réactivité contraire à l'augmentation de l'espacement (Fig. 7b montre le schéma de la largeur d'appauvrissement). Cependant, tous les photodétecteurs augmentent avec la diminution de l'espacement des électrodes (3, 5 et 8 μm) ; sous la même taille et densité de NP, un espacement plus important des électrodes a plus de NP excités ; et puis la capacité de champ proche est couplée au semi-conducteur est plus forte. Davantage de paires électron-trou photo-générées sont alors créées, et le photocourant est donc augmenté en théorie. Il convient de noter que la sensibilité de tous les photodétecteurs augmente avec la diminution de l'espacement des électrodes (3, 5 et 8 μm) et que la tension de polarisation est constante. Comme mentionné ci-dessus, le facteur dominant se concentre sur la largeur d'épuisement pour expliquer ce phénomène intéressant. Tous les résultats révèlent une piste praticable pour améliorer la réactivité des SP. Ici, par rapport à d'autres matériaux couramment utilisés ou aux photodétecteurs précédents, de nombreux atomes de Zn perdent au cours du processus de croissance, ce qui est dû à la pression de vapeur plus élevée du Mg par rapport au Zn. Il y aura de nombreux défauts de formation dans les films en raison du manque d'atomes de Zn. Les photoporteurs seront aggravés par les défauts, et la réactivité des photodétecteurs aveugles solaires sera largement réduite. De plus, en raison de la perte d'atomes de Zn, le désordre et la fluctuation des teneurs sont difficiles à éviter, et le phénomène de queue de remorquage du bord d'absorption suivra. En conséquence, le taux de rejet UV-visible décroîtra avec la réduction de la détectivité. Par conséquent, le contrôle du rapport stoechiométrique dans les films peut être une voie pour améliorer les performances des photodétecteurs MgZnO. Les SP peuvent être réalisés dans des revêtements à la surface des NP métalliques par pulvérisation cathodique magnétron. Les NP métalliques à la surface peuvent améliorer la diffusion des photons incidents et faire en sorte que davantage de photons atteignent le substrat, et ainsi, l'absorption des photons peut être améliorée. En théorie, plus de SP, plus de paires électron-trou photo-générées sont alors créés et le photo-courant est augmenté en conséquence. Afin de démontrer les SP en comparant avec un espacement des électrodes de 3, 5 et 8 μm la réactivité d'un espacement plus grand, plus de SP sont plus petits que d'autres à leur tour.

un Le schéma des SP. b Le schéma de la largeur d'épuisement

Conclusions

Afin d'obtenir les photodétecteurs MgZnO idéaux, nous avons fabriqué des photodétecteurs ultraviolets MgZnO MSM avec différents espacements d'électrodes (3, 5 et 8 μm). Ensuite, nous avons une nouvelle approche (nous utilisons des Pt NPs pour modifier l'appareil) pour augmenter les performances des appareils. À notre grande surprise, en comparant avec eux la réactivité d'un échantillon à plus grand espacement, plus de SP ont été rassemblés qui sont à leur tour plus petits que les autres. Nous avons détaillé la largeur d'appauvrissement plus large, pour expliquer l'optimisation de la réactivité, et nous proposons que les SP des Pt NPs ont amélioré la diffusion de la lumière incidente, ce qui est bénéfique pour une enquête plus approfondie dans les photodétecteurs à films. Une étude plus approfondie est en cours pour développer des photodétecteurs UV MgZnO de haute qualité.

Abréviations

AgO :

Oxyde d'argent

EDS :

Spectromètre à dispersion d'énergie

MSM :

Métal-semi-conducteur-métal

NP :

Nanoparticules

SP :

Plasmons de surface

UV :

Ultraviolet