通过与 Pt 纳米粒子表面等离子体耦合显着增强 MgZnO 金属-半导体-金属光电探测器

背景

ZnO 是一种有吸引力的宽直接带隙 (~ 3.37 eV) 氧化物半导体，具有辐射硬度和环境友好性。这些特性使其适用于制造短波长光电器件，例如紫外光电探测器。然而，由于p型掺杂和其他相关日盲技术的不成熟，基于ZnO的紫外光电探测器的性能仍然低于预期。对于高性能ZnO基紫外光电探测器的制备，一种常见且有效的方法是提高材料质量和优化器件技术，但这通常是一个长期的过程[1,2,3,4,5,6 ,7].

最近，SPs 因其基础科学重要性和有前途的实际应用而备受关注。 SPs可以通过磁控溅射在金属NPs表面的涂层中实现。表面的金属纳米粒子可以增强入射光子的散射，使更多的光子到达基板，从而增强光子的吸收[8,9,10,11,12,13,14,15, 16,17,18]。在最近的许多研究中，Ag 纳米颗粒被认为是一种更好的材料。但 Ag 可能在 ZnO-Ag 界面被氧化，最终形成一层氧化银 (AgO) [19]。铂（Pt）元素作为世界上一种新型且具有稳定性能的金属，一直是等离子体材料的重要候选者，其SPs位于UV范围内。此外，MgZnO光电探测器优先选择金属-半导体-金属（MSM）结构，具有平面器件结构、快速光响应和制造工艺简单等优点。然而，对势垒高度和耗尽层宽度的综合影响的系统研究相当有限，尽管它可以促进实际应用的进步和完善基础物理。本工作设计并制作了具有不同活性层和电极间距的MgZnO紫外光电探测器。

在本文中，我们制造了由射频磁控溅射沉积方法制备的 SPs 辅助的 MgZnO MSM 紫外光电探测器。最重要的是，通过在器件表面溅射金属 Pt NPs 提高了光电探测器的响应度。为了演示SPs，然后通过与3、5和8μm的电极间距比较大间距的响应度，依次有更多的SPs比其他的小。理论上，更多的 SP，更多的光生电子 - 空穴对会产生，并且光电流相应增加。令我们惊讶的是，由于较大间距样品的响应性，收集到的SPs数量比其他的小，表明该方法是提高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 粉末的混合物在 1000°C 下在空气环境中烧结 10 小时来制备，然后将其放置在锌靶材上。 （两个靶材通过高温导电接头紧密连接。Zn 靶材的直径为 7 cm。）显然，MgZnO 束流将被 Zn 束流包围，有效地减少了 Zn 原子的损失 [20] . MgZnO薄膜的成分可以很容易地控制，即使在高衬底温度下也是如此。

石英基板依次用丙酮、乙醇和去离子水清洗 30 分钟，然后在沉积前用空气吹干。 MgZnO 薄膜首先在石英衬底上生长，总压力为 3 Pa，溅射功率为 120 W，室温下。最后，通过光刻和湿法蚀刻构建顶部 Au 指状电极，长 500 微米，宽 5 微米，间距 3、5 和 8 微米，指对总数为 15（图 1 所示）光电探测器原理图).

具有MSM结构的Mg0.24Zn0.76O UV PDs的3D示意图

MgZnO 膜的相识别由 Rigaku Ultima VI X 射线衍射仪 (XRD) 表征，在 40 kV 和 20 mA 下使用 Cu Kα 辐射 (λ =1.54184 Å)。 PerkinElmer Lambda 950 光谱仪用于 200 至 700 nm 波长范围内的吸收光谱。 MgZnO 光电探测器的电流-电压 (I-V) 特性是在 20 V 偏压下使用 Agilent 16442A 测试夹具测量的。使用 Zolix DR800-CUST 记录了 MgZnO 光电探测器的光谱响应。

结果与讨论

不同溅射时间的MgZnO薄膜的XRD图谱如图2所示，这里有一个衍射峰位于34.84°左右，可以指向MgZnO的（002）面，这意味着MgZnO薄膜晶体是通常沿着 c 制造 -轴。没有Pt NPs和有溅射Pt NP MgZnO峰的强度几乎相同，这可以证明溅射沉积Pt NPs沉积在MgZnO薄膜表面，对薄膜的晶体质量没有影响。图 3 说明了没有 Pt NPs 和有溅射 Pt NP MgZnO 薄膜的光吸收光谱 [21, 22]；结果表明，由于 SP 模式，具有沉积态 Pt NP 的检测器的吸收增强。与原始的 MgZnO 膜相比，Pt NPs 涂层的 MgZnO 膜在光谱范围内的吸收增强。同时，MgZnO 薄膜通过能谱仪 (EDS) 进行表征，镁浓度约为 24%（图 3 的插图）。溅射时间为 20 秒的 MgZnO 表面的平面 SEM 图像，带有 Pt NPs，如图 4 所示。Pt NPs 的平均直径约为 6.26 ± 0.50 nm。

Mg0.24Zn0.76O薄膜的XRD谱

Mg0.24Zn0.76O薄膜的紫外-可见吸收光谱

使用 Pt NPs 溅射 20 s 的 MgZnO 表面的平面 SEM 图像

图 5 显示了 MgZnO 光电探测器（具有不同的电极间距）与 5 V 偏压下的入射光波长的响应率。通过装饰 Pt NP，响应度增强趋势完全增加。值得注意的是，在相同条件下，所有光电探测器都随着电极间距（3、5 和 8 μm）的减小而增加。因此，响应度增强的主要成分是 Pt NPs 的影响。结果表明，响应度的增强范围可以很容易地控制，这与改变偏置电压等传统方法不同。令我们惊讶的是，由于较大间距样本的响应性，收集到的 SP 比其他的小。理论上，因为更多的 SP 出现，更多的光生电子 - 空穴对就会产生，光电流也相应增加。这种现象与理论不符。 MgZnO 光电探测器的非线性 I-V 特性（如图 6 所示）表明已经实现了经典的肖特基金属-半导体接触。还表明，在相同偏压下，暗电流随着电极间距的减小而增大，这可以用金属-半导体结的耗尽宽度来解释。

在 5 V 偏压下，MgZnO 光电探测器（具有不同电极间距）的响应度与入射光波长的关系

MgZnO光电探测器的非线性I-V特性表明经典的肖特基金属-半导体接触已经实现

为了揭示有趣现象的本质，提出了两个可能的原因作为导致响应度增强和暗电流之间的原因：（1）为了获得理想的 MgZnO 光电探测器组合目标，我们使用 Pt NPs 修改器件再次。匹配波长的入射光通过与 SP 耦合，在比其几何截面大得多的散射截面上与金属 NP 有效相互作用。等离子体散射效应的机制已在文献中描述。因此，散射光然后在 MgZnO 层中获得一定的角度扩展。结果，入射光将多次穿过半导体，从而增加有效光路长度。更重要的是，增加光路长度可以增强光吸收。有 Pt NPs 的光响应光谱逐渐高于没有 Pt NP 器件的光响应光谱（图 7a 显示了 SP 的示意图）。 (2)耗尽宽度(W ) 解释了为什么所有 MgZnO 光电探测器的响应度随着相同偏压下电极间距的减小而增加。耗尽宽度可以描述为[23]

其中 ɛ 0 是绝对介电常数，ɛ 1是相对介电常数，ψ 0 是内置电位，V 是偏置电压，q 是电子电荷，N d 是供体浓度。随着电极间距的增加，半导体薄膜的面积会增加，即有效电阻增加。 ɛ 0, ɛ 1、ψ 0, V , q , 和 N d 是不变量，因此随着电极间距的增加而变宽，从而导致作用在耗尽区上的电压降低。人们只能看到耗尽宽度的偏置效应；施加在耗尽区上的电压随着电极间距的增加而降低。因此，该区域中的任何光生载流子都会被高电场扫除并漂移到金属电极。因此，光生载流子的数量会增加，使得响应度的趋势与间距的增加相反（图 7b 显示了耗尽宽度的示意图）。然而，所有光电探测器都随着电极间距（3、5 和 8 μm）的减小而增加；在相同的纳米颗粒尺寸和密度下，电极间距越大，激发的纳米颗粒越多；然后近场耦合到半导体的能力更强。然后产生更多的光生电子-空穴对，理论上光电流相应增加。值得注意的是，所有光电探测器的响应度都随着电极间距（3、5 和 8 μm）的减小而增加，并且偏置电压是恒定的。如上所述，主要因素集中在耗尽宽度来解释这个有趣的现象。所有结果都揭示了提高 SP 响应度的可行途径。在这里，与其他常用材料或以前的光电探测器相比，在生长过程中失去了大量的 Zn 原子，这是由于与 Zn 相比，Mg 的蒸气压更高。由于锌原子的缺乏，它会在薄膜中形成许多缺陷。缺陷将复合光载流子，日盲光电探测器的响应度将大大降低。另外，由于Zn原子的丢失，含量的紊乱和波动难以避免，吸收边的拖尾现象随之而来。结果，紫外-可见光抑制比将随着探测率的降低而衰减。因此，控制薄膜中的化学计量比可能是提高 MgZnO 光电探测器性能的途径。 SPs可以通过磁控溅射在金属NPs表面的涂层中实现。表面的金属纳米粒子可以增强入射光子的散射，使更多的光子到达基板，从而增强光子的吸收。理论上，更多的 SP，更多的光生电子 - 空穴对会产生，并且光电流相应增加。为了通过与3、5和8μm电极间距的比较来展示SPs，较大间距的响应度，更多的SPs依次比其他的小。

一 SP 的示意图。 b 耗尽宽度示意图

结论

为了获得理想的 MgZnO 光电探测器，我们制造了具有不同电极间距（3、5 和 8 μm）的 MgZnO MSM 紫外光电探测器。然后，我们有一种新颖的方法（我们使用 Pt NP 来修改设备）来提高设备的性能。令我们惊讶的是，通过与它们比较大间距样本的响应度，可以收集到更多的 SP，这些 SP 依次小于其他 SP。我们详细说明了更宽的耗尽宽度，以解释优化响应率，并且我们提出 Pt NPs 的 SP 增强了入射光的散射，这有利于薄膜光电探测器的进一步研究。正在进一步研究开发高质量的MgZnO紫外光电探测器。

缩写

AgO：

氧化银

EDS：

能量色散光谱仪

MSM：

金属-半导体-金属

NP：

纳米粒子

SP：

表面等离子体

紫外线：

紫外线