Amélioration des performances du photodétecteur MSM MgZnO par plasmons de surface pilotés par nanoparticules Pt

Résumé

Nous avons proposé et démontré des photodétecteurs ultraviolets (UV) à structure métal-semiconducteur-métal (MSM) en MgZnO assistés par plasmons de surface (PS) préparés par la méthode de dépôt par pulvérisation magnétron radiofréquence. Après décoration de leur surface avec des nanoparticules (NP) de Pt, la responsivité de tous les photodétecteurs d'espacement d'électrodes (3, 5 et 8 µm) a été dramatiquement améliorée ; à notre surprise, en les comparant, la responsivité de l'échantillon à plus grand espacement, plus de PS étaient rassemblés qui sont plus petits que les autres à leur tour. Un mécanisme physique axé sur les PS et la largeur de déplétion est donné pour expliquer les résultats ci-dessus.

Contexte

Le ZnO est un semi-conducteur oxyde attrayant à large bande interdite directe (~3,37 eV) présentant une dureté aux radiations et une convivialité environnementale. Ces caractéristiques le rendent approprié pour 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 solaires-aveugles connexes, la performance des photodétecteurs UV à base de ZnO est encore inférieure aux attentes. Pour la fabrication de photodétecteurs UV à base de ZnO à haute performance, une méthode commune et efficace est l'amélioration de la qualité du matériau et l'optimisation de la technologie du dispositif, mais c'est généralement un processus à long terme [1,2,3,4,5,6,7].

Récemment, beaucoup d'attention a été portée aux PS pour leur importance scientifique fondamentale et leurs applications pratiques prometteuses. Les PS peuvent être réalisés dans des revêtements sur la surface de NP métalliques par pulvérisation magnétron. Les NP métalliques sur la surface peuvent améliorer la diffusion des photons incidents et faire en sorte que plus 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 l'Ag pourrait avoir été oxydé à l'interface ZnO-Ag pour former éventuellement une couche d'oxyde d'argent (AgO) [19]. En tant que métal aux propriétés de nouveauté et de stabilité dans le monde, l'élément platine (Pt) a été un candidat important du matériau plasmonique, dont les PS 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, réponse photo rapide, et simplicité dans le processus de fabrication. Cependant, il y a eu plutôt peu d'investigation systématique des effets combinés de la hauteur de barrière et de la largeur de déplétion, même si cela pourrait promouvoir le 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 MSM MgZnO assistés par PS préparés par la méthode de dépôt par pulvérisation magnétron radiofréquence. Plus important encore, la responsivité des photodétecteurs a été améliorée par pulvérisation de NP de Pt métalliques sur la surface du dispositif. Afin de démontrer les PS, puis en comparant avec l'espacement d'électrodes de 3, 5 et 8 µm la responsivité de l'échantillon à plus grand espacement, plus de PS sont plus petits que les autres à leur tour. En théorie, plus de PS, plus de paires électron-trou photogénérées sont alors créées et le photocourant est en conséquence augmenté. À notre surprise, en raison de la responsivité de l'échantillon à plus grand espacement, plus de PS étaient rassemblés qui sont plus petits que les autres, démontrant que cette méthode est un complément puissant pour l'amélioration de la performance des photodétecteurs.

Méthodes/Expérimental

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

Les substrats de quartz étaient nettoyés successivement 30 min avec acétone, éthanol et eau déionisée, puis séchés à l'air avant dépôt. Le film MgZnO était cultivé sur le substrat de quartz d'abord, avec une pression totale de 3 Pa, une puissance de pulvérisation de 120 W, à température ambiante. Finalement, les électrodes doigt Au supérieures étaient construites par lithographie et gravure humide, qui étaient 500 µm longues et 5 µm larges avec des espacements de 3, 5 et 8 µm, et la somme de paires de doigts était 15 (Fig. 1 montre le schéma du photodétecteur).

L'identification de phase du film MgZnO est caractérisée par le diffractomètre à rayons X Rigaku Ultima VI (DRX) avec 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 gamme de longueur d'onde de 200 à 700 nm. Les caractéristiques courant-tension (I-V) des photodétecteurs MgZnO sont mesurées sous un biais de 20 V en utilisant un Agilent 16442A Test Fixture. La réponse spectrale pour les photodétecteurs MgZnO est enregistrée en utilisant un Zolix DR800-CUST.

Résultats et discussion

Les diagrammes DRX des films MgZnO à différents temps de pulvérisation sont montrés en Fig. 2. Ici est un pic de diffraction localisé à environ 34,84°, qui peut être indexé au plan (002) de MgZnO, et cela signifie que les cristaux de films MgZnO sont typiquement fabriqués le long de l'axe c. Les intensités des pics MgZnO sans NP Pt et avec pulvérisation NP Pt sont presque les mêmes, ce qui peut prouver que les NP Pt déposés par pulvérisation sur la surface des films MgZnO n'ont eu aucun effet sur la qualité cristalline des films. La Figure 3 illustre les spectres d'absorption optique des films MgZnO sans NP Pt et avec pulvérisation NP Pt [21, 22] ; le résultat suggère que l'amélioration de l'absorption se produit pour le détecteur avec NP Pt tels que déposés grâce aux modes PS. Comparé au film MgZnO pur, l'absorption des films MgZnO revêtus de NP Pt est améliorée dans la gamme spectrale. Simultanément, les films MgZnO étaient caractérisés par spectromètre à dispersion d'énergie (EDS), et la concentration de magnésium est d'environ 24 % (l'encart de Fig. 3). L'image MEB en vue de plan de la surface MgZnO avec pulvérisation pendant 20 s, avec NP Pt, sont montrées en Fig. 4. Le diamètre moyen des NP Pt est d'environ 6,26 ± 0,50 nm.

La Figure 5 montre la responsivité des photodétecteurs MgZnO (avec différents espacements d'électrodes) versus longueur d'onde de lumière incidente à 5 V de biais. Les tendances d'amélioration de la responsivité étaient totalement augmentées par la décoration des NP Pt. Notamment, sous les mêmes conditions, tous les photodétecteurs augmentent avec la diminution de l'espacement d'électrodes (3, 5 et 8 µm). Par conséquent, le composant dominant de l'amélioration de la responsivité est l'effet des NP Pt. Les résultats indiquent que la gamme d'amélioration de la responsivité peut être contrôlée facilement, ce qui diffère des méthodes conventionnelles telles que le changement de tension de biais. À notre surprise, en raison de la responsivité de l'échantillon à plus grand espacement, plus de PS étaient rassemblés qui sont plus petits que les autres. En théorie, parce que plus de PS apparaissent, plus de paires électron-trou photogénérées sont alors créées et le photocourant est en conséquence augmenté. Le phénomène est incohérent avec la théorie. Les caractéristiques I-V non-linéaires (montrées en Fig. 6) pour les photodétecteurs MgZnO indiquent que les contacts métal-semiconducteur Schottky classiques ont été atteints. Il est aussi montré que le courant d'obscurité est élargi avec la diminution de l'espacement d'électrodes au même biais, ce qui peut être expliqué par la largeur de déplétion de la jonction métal-semiconducteur.

Pour révéler la nature du phénomène intéressant, deux raisons possibles sont proposées comme la cause qui résulte entre la responsivité améliorée et le courant d'obscurité : (1) Afin d'obtenir les cibles combinatoires idéales des photodétecteurs MgZnO, nous utilisons les NP Pt pour modifier le dispositif à nouveau. La lumière incidente de longueur d'onde correspondante interagit avec les NP métalliques efficacement sur des sections efficaces de diffusion beaucoup plus grandes que ses sections efficaces géométriques par couplage avec les PS. Le mécanisme pour l'effet de diffusion plasmonique a été décrit dans la littérature. Ainsi, la lumière diffusée acquiert alors une certaine dispersion angulaire dans la couche MgZnO. En conséquence, la lumière incidente passera plusieurs fois à travers le semi-conducteur, augmentant la longueur de parcours optique effective. Plus important encore, l'augmentation de la longueur de parcours optique peut améliorer l'absorption de la lumière. Les spectres de photoréponse des avec NP Pt étaient graduellement plus élevés que ceux des dispositifs sans NP Pt (Fig. 7a montre le schéma des PS). (2) La largeur de déplétion (W) explique pourquoi la responsivité de tous les photodétecteurs MgZnO augmente avec la diminution de l'espacement d'électrodes au même biais. La largeur de déplétion peut être décrite comme [23] W = [2ε₀ε₁(ψ₀ + V)/qN_d]¹/², où ε₀ est la constante diélectrique absolue, ε₁ est la constante diélectrique relative, ψ₀ est le potentiel built-in, V est la tension de biais, q est la charge électronique, et N_d est la concentration de donneurs. Comme l'espacement d'électrodes augmente, la surface du film mince semi-conducteur augmentera, ce qui fait référence à la résistance effective augmente. ε₀, ε₁, ψ₀, V, q et N_d sont invariants, résultant ainsi en un élargissement quand l'espacement d'électrodes augmente, résultant en une diminution de la tension agissant sur la région de déplétion. On peut voir seulement les effets de biais de la largeur de déplétion ; la tension appliquée sur la région de déplétion est qu'elle réduit comme l'espacement d'électrodes augmente. Donc, tout porteur photogénéré dans cette région serait balayé par le champ électrique élevé et dériverait vers les électrodes métalliques. Ainsi, la quantité de porteurs photogénérés augmentera, faisant la tendance de la responsivité contraire à l'augmentation de l'espacement (Fig. 7b montre le schéma de la largeur de déplétion). Cependant, tous les photodétecteurs augmentent avec la diminution de l'espacement d'électrodes (3, 5 et 8 µm) et la tension de biais est constante. Comme mentionné ci-dessus, le facteur dominant se concentre sur la largeur de déplétion pour expliquer ce phénomène intéressant. Tous les résultats révèlent une route praticable pour améliorer la responsivité des PS. Ici, comparé avec d'autres matériaux couramment utilisés ou photodétecteurs précédents, beaucoup d'atomes Zn sont perdus pendant le processus de croissance, ce qui est dû à la pression de vapeur plus élevée de Mg comparée à Zn. Il y aura beaucoup de formations de défauts dans les films en raison de la déficience d'atomes Zn. Les porteurs photo seront recombinés par les défauts, et la responsivité des photodétecteurs solaires-aveugles sera largement réduite. En outre, en raison de la perte d'atomes Zn, le désordre et la fluctuation des contenus est difficile à éviter, et le phénomène des deux queues de l'absorption de bord suivra. En conséquence, le rapport de réjection UV-visible se dégrada accompagner avec la réduction de la détectivité. Par conséquent, le contrôle du rapport stœchiométrique dans les films peut être une route pour améliorer la performance des photodétecteurs MgZnO. Les PS peuvent être réalisés dans des revêtements sur la surface de NP métalliques par pulvérisation magnétron. Les NP métalliques sur la surface peuvent améliorer la diffusion des photons incidents et faire en sorte que plus de photons atteignent le substrat, et ainsi, l'absorption des photons peut être améliorée. En théorie, plus de PS, plus de paires électron-trou photogénérées sont alors créées et le photocourant est en conséquence augmenté. Afin de démontrer les PS en comparant avec l'espacement d'électrodes de 3, 5 et 8 µm la responsivité de l'échantillon à plus grand espacement, plus de PS sont plus petits que les autres à leur tour.

Conclusions

Afin d'obtenir les photodétecteurs MgZnO idéaux, nous avons fabriqué des photodétecteurs UV MSM MgZnO avec différents espacements d'électrodes (3, 5 et 8 µm). Ensuite, nous avons une nouvelle approche (nous utilisons les NP Pt pour modifier le dispositif) pour augmenter la performance des dispositifs. À notre surprise, en les comparant, la responsivité de l'échantillon à plus grand espacement, plus de PS étaient rassemblés qui sont plus petits que les autres à leur tour. Nous avons détaillé la largeur de déplétion plus large, pour expliquer la responsivité optimisée, et nous proposons que les PS des NP Pt ont amélioré la diffusion de la lumière incidente, ce qui est bénéfique pour une investigation 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-semiconducteur-métal

NPs:

Nanoparticules

SPs:

Plasmons de surface

UV:

Ultraviolet