Pt纳米颗粒驱动表面等离子体增强MgZnO MSM光电探测器性能

摘要

我们提出并演示了利用射频磁控溅射沉积制备的表面等离子体（SPs）辅助的MgZnO金属-半导体-金属（MSM）紫外光电探测器（UV）。表面装饰Pt纳米颗粒（NPs）后，所有电极间距（3、5、8 µm）光电探测器的响应度大幅增强；令人惊讶的是，与它们相比，较大间距样品的响应度下聚集了更多但尺寸更小的SPs。给出了聚焦SPs和耗尽层宽度的物理机制解释上述结果。

研究背景

ZnO是一种宽直带隙（~3.37 eV）氧化物半导体，具有抗辐射硬度和环境友好性，适合制造短波长光电器件如UV光电探测器。然而，因p型掺杂不成熟及相关太阳盲技术，ZnO基UV光电探测器性能仍低于预期。制造高性能ZnO基UV光电探测器的常用有效方法是改善材料质量和优化器件工艺，但通常是长期过程[1-7]。

近年表面等离子体（SPs）因基础科学重要性和实用应用前景受关注。SPs可通过磁控溅射在金属NPs表面涂层实现。表面金属NPs增强入射光子散射，使更多光子到达基底，从而增强光子吸收[8-18]。许多近期研究认为Ag纳米颗粒是更好材料。但Ag可能在ZnO-Ag界面氧化形成氧化银（AgO）层[19]。作为一种新型稳定性质金属，铂（Pt）元素是重要等离子体材料候选，其SPs位于紫外范围。此外，金属-半导体-金属（MSM）结构因平面器件结构、快速光响应、制备工艺简单，被优先选为MgZnO光电探测器。然而，对肖特基势垒高度和耗尽层宽度协同效应的系统研究仍相当有限，尽管这能促进实际应用和基础物理完善。本工作设计制备了不同有源层和电极间距的MgZnO UV光电探测器。

本文制备了射频磁控溅射沉积法制备的SPs辅助MgZnO MSM UV光电探测器。最重要的是，通过在器件表面溅射金属Pt NPs增强了光电探测器响应度。为演示SPs，比较电极间距3、5、8 µm时，较大间距样品响应度下聚集的SPs更多但尺寸更小。理论上，更多SPs产生更多光生电子-空穴对，光电流相应增加。令人惊讶的是，因较大间距样品响应度，聚集更多SPs却尺寸更小，表明该方法是提升光电探测器性能的有力补充。

方法/实验

MgZnO靶材通过将99.99%纯MgO和ZnO粉末混合在空气中1000 °C烧结10 h制备，然后置于锌靶上（两靶通过高温导电带紧密连接，Zn靶直径7 cm）。显然，MgZnO束流将被Zn束流包围，有效减少Zn原子损失[20]。MgZnO薄膜成分易于控制，即使在高衬底温度下。

石英衬底依次用丙酮、乙醇、去离子水超声清洗30 min，吹干后沉积。先在石英衬底上生长MgZnO薄膜，总压3 Pa，溅射功率120 W，室温。最后通过光刻和湿法刻蚀构建顶部Au指状电极，长500 µm、宽5 µm，间距3、5、8 µm，指对总数15（图1显示光电探测器示意图）。

MgZnO薄膜相鉴别用Rigaku Ultima VI X射线衍射仪（XRD），Cu Kα辐射（λ=1.54184 Å），40 kV、20 mA。PerkinElmer Lambda 950分光光度计测200-700 nm吸收光谱。MgZnO光电探测器电流-电压（I-V）特性在20 V偏压下用Agilent 16442A测试夹具测量。MgZnO光电探测器光谱响应用Zolix DR800-CUST记录。

结果与讨论

不同溅射时间MgZnO薄膜XRD谱见图2。约34.84°处有衍射峰，可索引为MgZnO (002)晶面，意味着MgZnO薄膜晶体典型沿c轴生长。无Pt NPs和溅射Pt NPs MgZnO峰强度几乎相同，证明溅射沉积Pt NPs沉积在MgZnO薄膜表面，未影响薄膜晶体质量。图3展示无Pt NPs和溅射Pt NPs MgZnO薄膜光学吸收光谱[21,22]；结果表明因SP模式，沉积Pt NPs的探测器吸收增强。与原始MgZnO薄膜相比，包覆Pt NPs的MgZnO薄膜在光谱范围内吸收增强。同时MgZnO薄膜经能量色散谱仪（EDS）表征，镁浓度约24%（图3插图）。溅射20 s后MgZnO表面平面视图SEM图像（图4）显示Pt NPs平均直径约6.26±0.50 nm。

图5显示不同电极间距MgZnO光电探测器响应度随入射光波长变化（5 V偏压）。响应度增强趋势完全因装饰Pt NPs而提升。值得注意的是，同条件下所有光电探测器响应度随电极间距减小（3、5、8 µm）而增加。因此，响应度增强主导因素是Pt NPs效应。结果表明响应度增强范围易于控制，区别于改变偏压等常规方法。令人惊讶的是，因较大间距样品响应度，聚集更多SPs却尺寸更小。理论上，更多SPs出现，更多光生电子-空穴对产生，光电流相应增加。该现象与理论不符。MgZnO光电探测器非线性I-V特性（图6）表明实现了经典肖特基金属-半导体接触。也显示同偏压下暗电流随电极间距减小而增大，可用金属-半导体结耗尽层宽度解释。

为揭示增强响应度与暗电流间有趣现象本质，提出两可能原因：(1) 为获得理想MgZnO光电探测器组合目标，我们再次用Pt NPs修饰器件。匹配波长入射光通过耦合SPs与金属NPs高效相互作用，散射截面远大于几何截面。等离子散射效应机制文献已述。因此散射光在MgZnO层获得一定角度扩展，入射光多次穿过半导体，增加有效光程。更重要的是，增加光程增强光吸收。装饰Pt NPs器件光响应谱逐渐高于无Pt NP器件（图7a示意SPs）。(2) 耗尽层宽度（W）解释为何所有MgZnO光电探测器响应度随电极间距减小同偏压下增加。耗尽层宽度描述为[23]：W=[2ε₀ε₁(ψ₀+V)/qN_d]¹/²，其中ε₀绝对介电常数，ε₁相对介电常数，ψ₀内建势，V偏压，q电子电荷，N_d施主浓度。电极间距增大时，半导体薄膜面积增大，指有效电阻增加。ε₀、ε₁、ψ₀、V、q、N_d为常量，因此随电极间距增大而加宽，导致作用在耗尽区电压减小。仅见偏压对耗尽宽度影响；施加在耗尽区电压随电极间距增大而减小。因此该区域光生载流子会被高电场扫出漂移至金属电极。光生载流子量随之增加，使响应度趋势与间距增加相反（图7b示意耗尽宽度）。然而所有光电探测器响应度随电极间距减小（3、5、8 µm）增加且偏压恒定。如前所述，主导因素聚焦耗尽宽度解释此有趣现象。所有结果揭示改善SPs响应度的可行路径。此处与其他常用材料或前人光电探测器比较，生长过程中因Mg蒸气压高于Zn导致大量Zn原子损失，因Zn原子缺乏薄膜形成大量缺陷，光载流子被缺陷复合，太阳盲光电探测器响应度大幅降低。此外，因Zn原子损失，成分无序波动难避免，吸收边双尾现象随之而来。结果UV-可见拒绝比随探测率降低而衰减。因此控制薄膜化学计量比可能是提高MgZnO光电探测器性能途径。SPs可通过磁控溅射在金属NPs表面涂层实现。表面金属NPs增强入射光子散射使更多光子到达基底，增强光子吸收。理论上更多SPs产生更多光生电子-空穴对，光电流相应增加。为演示SPs，比较电极间距3、5、8 µm时较大间距样品响应度下聚集更多SPs却尺寸更小。

结论

为获得理想MgZnO光电探测器，我们制备了不同电极间距（3、5、8 µm）MgZnO MSM紫外光电探测器。采用新方法（用Pt NPs修饰器件）提升器件性能。令人惊讶的是，比较下较大间距样品响应度聚集更多SPs却尺寸更小。我们详述了更宽耗尽宽度解释优化响应度，并提出Pt NPs的SPs增强入射光散射，有利于薄膜光电探测器进一步研究。后续研究正进行以开发高质量MgZnO UV光电探测器。