Aanzienlijke verbetering van MgZnO metaal-halfgeleider-metaal fotodetectoren via koppeling met Pt nanodeeltjes oppervlakteplasmonen

Resultaten en discussie

De XRD-patronen van de MgZnO-films in verschillende sputtertijden worden getoond in Fig. 2. Hier is een diffractiepiek op ongeveer 34,84 °, die kan worden geïndexeerd met het (002) vlak van MgZnO, en het betekent dat MgZnO-filmkristallen zijn meestal vervaardigd langs de c -as. De intensiteiten van de zonder Pt NP's en met sputterende Pt NP MgZnO-pieken zijn bijna hetzelfde, wat kan bewijzen dat de sputterende afzetting van Pt NP's op het oppervlak van MgZnO-films geen effect had op de kristalkwaliteit van de films. Figuur 3 illustreert de optische absorptiespectra van de zonder Pt NP's en met sputterende Pt NP MgZnO-films [21, 22]; het resultaat suggereert dat de verbetering van de absorptie optreedt voor de detector met als gedeponeerde Pt NP's als gevolg van SP-modi. Vergeleken met de ongerepte MgZnO-film, is de absorptie van de MgZnO-films die gecoat zijn met Pt NP's verbeterd in het spectrumbereik. Tegelijkertijd werden de MgZnO-films gekarakteriseerd door een energiedispersieve spectrometer (EDS), en de magnesiumconcentratie is ongeveer 24% (de inzet van figuur 3). SEM-beeld met vlakzicht van MgZnO-oppervlak met sputteren gedurende 20 seconden, met Pt NP's, wordt getoond in Fig. 4. De gemiddelde diameter van de Pt NP's is ongeveer 6,26 ± 0,50 nm.

De XRD-spectra van de Mg_0,24 Zn_0,76 O film

UV-zichtbare absorptiespectra van de Mg_0,24 Zn_0,76 O film

Plane-view SEM-afbeelding van MgZnO-oppervlak met sputteren gedurende 20 s, met Pt NP's

Figuur 5 toont de responsiviteit van de MgZnO-fotodetectoren (met verschillende elektrodenafstand) versus de golflengte van invallend licht bij een voorspanning van 5 V. De neiging tot responsiviteitsverbetering werd volledig verhoogd door de Pt NP's te versieren. Met name onder dezelfde omstandigheden nemen alle fotodetectoren toe met afnemende elektrodenafstand (3, 5 en 8 m). Daarom is de dominante component van de responsiviteitsverbetering het effect van de Pt NP's. De resultaten geven aan dat het verbeteringsbereik van de responsiviteit gemakkelijk kan worden geregeld, wat verschilt van conventionele methoden zoals verandering van voorspanning. Tot onze verbazing werden, vanwege de responsiviteit van een grotere steekproef, meer SP's verzameld die kleiner zijn dan andere. In theorie, omdat er meer SP's verschijnen, worden er meer foto-gegenereerde elektron-gat-paren gemaakt en wordt de fotostroom dienovereenkomstig verhoogd. Het fenomeen strookt niet met de theorie. De niet-lineaire IV-kenmerken (weergegeven in figuur 6) voor de MgZnO-fotodetectoren geven aan dat de klassieke Schottky-metaal-halfgeleidercontacten zijn bereikt. Er wordt ook aangetoond dat de donkerstroom wordt vergroot met de afnemende elektrode-afstand bij dezelfde voorspanning, wat kan worden verklaard door de uitputtingsbreedte van de metaal-halfgeleiderovergang.

De responsiviteit van de MgZnO-fotodetectoren (met verschillende elektrodenafstand) versus de golflengte van invallend licht bij een voorspanning van 5 V

De niet-lineaire IV-karakteristieken voor de MgZnO-fotodetectoren geven aan dat de klassieke Schottky-metaal-halfgeleidercontacten zijn bereikt

Om de aard van het interessante fenomeen te onthullen, worden twee mogelijke redenen voorgesteld als de oorzaak die resulteert tussen de verhoogde responsiviteit en donkerstroom:(1) Om de ideale combinatorische doelen van MgZnO-fotodetectoren te krijgen, gebruiken we Pt NP's om het apparaat aan te passen nog een keer. Het invallende licht van bijpassende golflengte interageert efficiënt met de metalen NP's over verstrooiende doorsneden die veel groter zijn dan de geometrische doorsneden door koppeling met SP's. Het mechanisme voor het plasmonische verstrooiingseffect is beschreven in de literatuur. Het verstrooide licht krijgt dan dus een zekere hoekspreiding in de MgZnO-laag. Als resultaat zal het invallende licht meerdere keren door de halfgeleider gaan, waardoor de effectieve optische weglengte toeneemt. Wat nog belangrijker is, is dat het vergroten van de optische weglengte de lichtabsorptie kan verbeteren. De fotoresponsspectra van de met Pt NP's waren geleidelijk hoger dan die van zonder Pt NP-apparaten (Fig. 7a toont het schema van SP's). (2) De uitputtingsbreedte (W ) verklaart waarom de responsiviteit van alle MgZnO-fotodetectoren toeneemt met afnemende elektrode-afstand bij dezelfde bias. De uitputtingsbreedte kan worden beschreven als [23]

waar ɛ ₀ is de absolute diëlektrische constante, ɛ ₁ is de relatieve diëlektrische constante, ψ ₀ is het ingebouwde potentieel, V is de voorspanning, q is de elektronenlading, en N _d is de donorconcentratie. Naarmate de elektrodenafstand groter wordt, zal het oppervlak van de dunne halfgeleiderfilm toenemen, wat verwijst naar de effectieve weerstandstoename. ɛ ₀ , ɛ ₁ , ψ ₀ , V , q , en N _d zijn invarianten, wat resulteert in verbreding naarmate de afstand tussen de elektroden groter wordt, wat resulteert in een afname van de spanning die op het uitputtingsgebied inwerkt. Men kan alleen de vertekeningseffecten van de uitputtingsbreedte zien; de op het uitputtingsgebied aangelegde spanning is dat deze afneemt naarmate de afstand tussen de elektroden groter wordt. Daarom zouden door foto's gegenereerde dragers in dit gebied worden weggevaagd door het hoge elektrische veld en naar de metalen elektroden afdrijven. Het aantal door foto's gegenereerde dragers zal dus toenemen, waardoor de trend van de responsiviteit in strijd is met de toename van de afstand (Fig. 7b toont het schema van de uitputtingsbreedte). Alle fotodetectoren nemen echter toe met afnemende elektrodenafstand (3, 5 en 8 m); onder dezelfde NP-grootte en dichtheid heeft een grotere elektrode-afstand meer opgewonden NP's; en dan is het vermogen van het nabije veld gekoppeld aan de halfgeleider sterker. Er worden dan meer foto-gegenereerde elektron-gatparen gemaakt, en de fotostroom wordt dienovereenkomstig in theorie verhoogd. Het is vermeldenswaard dat de responsiviteit van alle fotodetectoren toeneemt met afnemende elektrodenafstand (3, 5 en 8 m) en dat de voorspanning constant is. Zoals hierboven vermeld, richt de dominante factor zich op de uitputtingsbreedte om dit interessante fenomeen te verklaren. Alle resultaten laten een bruikbare route zien om de responsiviteit van DV's te verbeteren. Hier, in vergelijking met andere veelgebruikte materialen of eerdere fotodetectoren, verliezen veel Zn-atomen tijdens het groeiproces, wat te wijten is aan de hogere dampdruk van Mg in vergelijking met Zn. Het zal veel defecten in de films hebben vanwege het tekort aan Zn-atomen. De fotodragers zullen worden verergerd door de defecten en de responsiviteit van de zonneblinde fotodetectoren zal grotendeels worden verminderd. Bovendien is vanwege het verlies van Zn-atomen de wanorde en fluctuatie van de inhoud moeilijk te vermijden en zal het sleepstaartfenomeen van de absorptierand volgen. Als resultaat zal de UV-zichtbare afstotingsratio afnemen die gepaard gaat met het verminderen van de detectiviteit. Bijgevolg kan het regelen van de stoichiometrische verhouding in de films een manier zijn om de prestaties van de MgZnO-fotodetectoren te verbeteren. De SP's kunnen worden gerealiseerd in coatings op het oppervlak van metalen NP's door magnetronsputteren. De metalen NP's op het oppervlak kunnen de verstrooiing van de invallende fotonen versterken en ervoor zorgen dat meer fotonen het substraat bereiken, en dus kan de absorptie van de fotonen worden verbeterd. In theorie worden dan meer SP's, meer foto-gegenereerde elektron-gat-paren gecreëerd en wordt de fotostroom dienovereenkomstig verhoogd. Om SP's te demonstreren door de responsiviteit van grotere afstanden te vergelijken met elektrodeafstanden van 3, 5 en 8 μm, zijn meer SP's kleiner dan andere.

een Het schema van SP's. b Het schema van de uitputtingsbreedte