Mejora del rendimiento de fotodetectores MSM MgZnO con plasmones de superficie impulsados por nanopartículas de Pt

Resumen

Propusimos y demostramos fotodetectores ultravioleta (UV) de metal-semiconductor-metal (MSM) de MgZnO asistidos por plasmones de superficie (SPs) preparados por el método de deposición por pulverización catódica de magnetrón de radiofrecuencia. Tras la decoración de su superficie con nanopartículas (NPs) de Pt, la responsividad de todos los fotodetectores con espaciado de electrodos (3, 5 y 8 µm) se mejoró drásticamente; para nuestra sorpresa, al compararlos, la responsividad de la muestra de mayor espaciado reunió más SPs que son más pequeños que los demás a su vez. Se da un mecanismo físico centrado en SPs y ancho de región de agotamiento para explicar los resultados anteriores.

Antecedentes

El ZnO es un semiconductor de óxido con banda prohibida directa ancha (~3,37 eV) atractivo, que presenta dureza a la radiación y amigabilidad ambiental. Estas características lo hacen adecuado para la fabricación de dispositivos optoelectrónicos de onda corta, como fotodetectores UV. Sin embargo, debido a la inmadurez del dopaje tipo p y otras tecnologías ciegas al sol relacionadas, el rendimiento de los fotodetectores UV basados en ZnO sigue siendo menor de lo esperado. Para la fabricación de fotodetectores UV de alto rendimiento basados en ZnO, un método común y efectivo es mejorar la calidad del material y optimizar la tecnología del dispositivo, pero esto suele ser un proceso a largo plazo [1,2,3,4,5,6,7].

Recientemente, se ha prestado mucha atención a los SPs por su importancia científica fundamental y prometedoras aplicaciones prácticas. Los SPs pueden realizarse en recubrimientos sobre la superficie de NPs metálicas por pulverización catódica de magnetrón. Las NPs metálicas en la superficie pueden mejorar la dispersión de los fotones incidentes y hacer que más fotones lleguen al sustrato, y así, la absorción de los fotones puede mejorarse [8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18]. En muchos estudios recientes, las nanopartículas de Ag se consideran un mejor material. Pero el Ag podría haberse oxidado en la interfaz ZnO-Ag para formar eventualmente una capa de óxido de plata (AgO) [19]. Como un tipo de metal novedoso y de propiedades de estabilidad en el mundo, el elemento platino (Pt) ha sido un candidato importante de material plasmonico, cuyos SPs se encuentran en el rango UV. Además, una estructura metal-semiconductor-metal (MSM) se ha elegido preferentemente para los fotodetectores MgZnO, con las ventajas de una estructura de dispositivo planar, respuesta fotográfica rápida y simplicidad en el proceso de fabricación. Sin embargo, ha habido una investigación sistemática bastante limitada de los efectos combinados de la altura de barrera y el ancho de agotamiento, aunque podría promover el progreso de la aplicación práctica y la física fundamental perfecta. En este trabajo, se han diseñado y fabricado fotodetectores UV MgZnO con diferentes capas activas y espaciados de electrodos.

En este artículo, fabricamos fotodetectores UV MSM MgZnO asistidos con SPs preparados por el método de deposición por pulverización catódica de magnetrón de radiofrecuencia. Lo más importante, la responsividad de los fotodetectores se mejoró al pulverizar NPs de Pt metálico en la superficie del dispositivo. Para demostrar SPs, luego al comparar con espaciado de electrodos de 3, 5 y 8 µm la responsividad de mayor espaciado, más SPs son más pequeños que los demás a su vez. En teoría, más SPs, más pares electrón-hueco fotogenerados se crean y la fotocorriente aumenta en consecuencia. Para nuestra sorpresa, debido a la responsividad de la muestra de mayor espaciado, más SPs se reunieron que son más pequeños que los demás, demostrando que este método es un poderoso complemento para mejorar el rendimiento de los fotodetectores.

Métodos/Experimental

El blanco de MgZnO se preparó sinterizando una mezcla de polvos puros de MgO y ZnO al 99,99 % a 1000 °C durante 10 h en ambiente de aire y luego se colocó sobre un blanco de zinc. (Los dos blancos se han conectado estrechamente por la cinta conductora de alta temperatura. El diámetro del blanco de Zn es 7 cm.) Claramente, el flujo de haz de MgZnO será encerrado por el flujo de haz de Zn, reduciendo efectivamente la pérdida de átomos de Zn [20]. La composición de la película de MgZnO puede controlarse fácilmente, incluso a alta temperatura de sustrato.

Los sustratos de cuarzo se limpiaron sucesivamente 30 min con acetona, etanol y agua desionizada, luego se secaron con aire antes de la deposición. La película de MgZnO se creció en el sustrato de cuarzo primero, con una presión total de 3 Pa, una potencia de pulverización de 120 W, a temperatura ambiente. Finalmente, los electrodos de dedo Au superiores se construyeron mediante litografía y grabado húmedo, que eran de 500 µm de largo y 5 µm de ancho con espaciado de 3, 5 y 8 µm, y la suma de pares de dedos era 15 (la Fig. 1 muestra el esquema del fotodetector).

La identificación de fase de la película de MgZnO se caracteriza por el difractómetro de rayos X Rigaku Ultima VI (XRD) con radiación Cu Kα (λ = 1,54184 Å) a 40 kV y 20 mA. Un espectrómetro PerkinElmer Lambda 950 se usa para los espectros de absorbancia en el rango de longitud de onda de 200 a 700 nm. Las características corriente-voltaje (I-V) de los fotodetectores MgZnO se miden bajo un sesgo de 20 V usando un Agilent 16442A Test Fixture. La respuesta espectral para los fotodetectores MgZnO se registra usando un Zolix DR800-CUST.

Resultados y Discusión

Los patrones XRD de las películas de MgZnO en diferentes tiempos de pulverización se muestran en la Fig. 2. Aquí hay un pico de difracción ubicado alrededor de 34,84°, que puede indexarse al plano (002) de MgZnO, y significa que los cristales de películas de MgZnO se fabrican típicamente a lo largo del eje c. Las intensidades de los picos sin NPs de Pt y con pulverización de NPs de Pt de MgZnO son casi las mismas, lo que puede probar que la deposición por pulverización de NPs de Pt se depositó en la superficie de las películas de MgZnO y no tuvo efecto en la calidad cristalina de las películas. La Figura 3 ilustra los espectros de absorción óptica de las películas de MgZnO sin NPs de Pt y con pulverización de NPs de Pt [21, 22]; el resultado sugiere que la mejora de la absorción ocurre para el detector con NPs de Pt depositados tal cual debido a modos SP. Comparado con la película de MgZnO prístina, la absorción de las películas de MgZnO recubiertas con NPs de Pt se mejora en el rango del espectro. Simultáneamente, las películas de MgZnO se caracterizaron por espectrómetro dispersivo en energía (EDS), y la concentración de magnesio es de aproximadamente 24 % (el recuadro de la Fig. 3). La imagen SEM de vista plana de la superficie de MgZnO con pulverización durante 20 s, con NPs de Pt, se muestra en la Fig. 4. El diámetro promedio de las NPs de Pt es de aproximadamente 6,26 ± 0,50 nm.

La Figura 5 muestra la responsividad de los fotodetectores MgZnO (con diferente espaciado de electrodos) versus longitud de onda de luz incidente a 5 V de sesgo. Las tendencias de mejora de responsividad aumentaron totalmente al decorar las NPs de Pt. Notablemente, bajo las mismas condiciones, todos los fotodetectores aumentan con la disminución del espaciado de electrodos (3, 5 y 8 µm). Por tanto, el componente dominante de la mejora de responsividad es el efecto de las NPs de Pt. Los resultados indican que el rango de mejora de la responsividad puede controlarse fácilmente, lo cual difiere de métodos convencionales como cambiar el voltaje de sesgo. Para nuestra sorpresa, debido a la responsividad de la muestra de mayor espaciado, más SPs se reunieron que son más pequeños que los demás. En teoría, porque aparecen más SPs, más pares electrón-hueco fotogenerados se crean y la fotocorriente aumenta en consecuencia. El fenómeno es inconsistente con la teoría. Las características I-V no lineales (mostradas en la Fig. 6) para los fotodetectores MgZnO indican que se han logrado contactos clásicos metal-semiconductor Schottky. También se muestra que la corriente oscura se agranda con la disminución del espaciado de electrodos al mismo sesgo, lo cual puede explicarse por el ancho de la región de agotamiento de la unión metal-semiconductor.

Para revelar la naturaleza del fenómeno interesante, se proponen dos posibles razones como la causa que resulta entre la responsividad mejorada y la corriente oscura: (1) Para obtener los objetivos combinacionales ideales de fotodetectores MgZnO, usamos NPs de Pt para modificar el dispositivo de nuevo. La luz incidente de longitud de onda coincidente interactúa con las NPs metálicas eficientemente sobre secciones transversales de dispersión mucho mayores que sus secciones transversales geométricas a través del acoplamiento con SPs. El mecanismo para el efecto de dispersión plasmonico se ha descrito en la literatura. Así, la luz dispersada entonces adquiere una cierta dispersión angular en la capa MgZnO. Como resultado, la luz incidente pasará varias veces a través del semiconductor, aumentando la longitud de camino óptico efectiva. Lo más importante, aumentar la longitud de camino óptico puede mejorar la absorción de luz. Los espectros de fotorespuesta de los con NPs de Pt fueron gradualmente más altos que los de dispositivos sin NPs de Pt (la Fig. 7a muestra el esquema de SPs). (2) El ancho de agotamiento (W) explica por qué la responsividad de todos los fotodetectores MgZnO aumenta con la disminución del espaciado de electrodos al mismo sesgo. El ancho de agotamiento puede describirse como [23]

$$ W={\left[2{\varepsilon}_0{\varepsilon}_1\left({\psi}_0+V\right)/{qN}_{\mathrm{d}}\right]}^{1/2} $$ (1)

donde ε₀ es la constante dieléctrica absoluta, ε₁ es la constante dieléctrica relativa, ψ₀ es el potencial incorporado, V es el voltaje de sesgo, q es la carga del electrón, y N_d es la concentración de donantes. A medida que el espaciado de electrodos aumenta, el área de la película delgada de semiconductor aumentará, lo que se refiere a que la resistencia efectiva aumenta. ε₀, ε₁, ψ₀, V, q y N_d son invariantes, resultando en ensanchamiento a medida que el espaciado de electrodos aumenta, resultando en una disminución del voltaje que actúa sobre la región de agotamiento. Solo se pueden ver los efectos del sesgo del ancho de agotamiento; el voltaje aplicado en la región de agotamiento es que se reduce a medida que el espaciado de electrodos aumenta. Por tanto, cualquier portador fotogenerado en esta región sería barrido por el alto campo eléctrico y derivaría a los electrodos metálicos. Así, la cantidad de portadores fotogenerados aumentará, haciendo que la tendencia de la responsividad sea contraria al aumento del espaciado (la Fig. 7b muestra el esquema del ancho de agotamiento). Sin embargo, todos los fotodetectores aumentan con la disminución del espaciado de electrodos (3, 5 y 8 µm) y el voltaje de sesgo es constante. Como se mencionó arriba, el factor dominante se centra en el ancho de agotamiento para explicar este fenómeno interesante. Todos los resultados revelan una ruta practicable para mejorar la responsividad de SPs. Aquí, comparado con otros materiales comúnmente usados o fotodetectores previos, muchos átomos de Zn se pierden durante el proceso de crecimiento, lo cual se debe a la mayor presión de vapor de Mg comparada con Zn. Tendrá muchas formaciones de defectos en las películas debido a la deficiencia de átomos de Zn. Los portadores fotogenerados se recombinarán por los defectos, y la responsividad de los fotodetectores ciegos al solar se reducirá largamente. Además, debido a la pérdida de átomos de Zn, el desorden y fluctuación de contenidos es difícil de evitar, y el fenómeno de cola doble del borde de absorción seguirá. Como resultado, la relación de rechazo UV-visible decaerá acompañando con la reducción de la detectividad. Consecuentemente, el control de la relación estequiométrica en las películas puede ser una ruta para mejorar el rendimiento de los fotodetectores MgZnO. Los SPs pueden realizarse en recubrimientos sobre la superficie de NPs metálicas por pulverización catódica de magnetrón. Las NPs metálicas en la superficie pueden mejorar la dispersión de los fotones incidentes y hacer que más fotones lleguen al sustrato, y así, la absorción de los fotones puede mejorarse. En teoría, más SPs, más pares electrón-hueco fotogenerados se crean y la fotocorriente aumenta en consecuencia. Para demostrar SPs al comparar con espaciado de electrodos de 3, 5 y 8 µm la responsividad de mayor espaciado, más SPs son más pequeños que los demás a su vez.

Conclusiones

Para obtener los fotodetectores MgZnO ideales, fabricamos fotodetectores UV MSM MgZnO con diferentes espaciados de electrodos (3, 5 y 8 µm). Luego, tenemos un enfoque novedoso (usamos NPs de Pt para modificar el dispositivo) para aumentar el rendimiento de los dispositivos. Para nuestra sorpresa, al compararlos, la responsividad de la muestra de mayor espaciado reunió más SPs que son más pequeños que los demás a su vez. Detallamos el ancho de agotamiento más amplio, para explicar la responsividad optimizada, y proponemos que los SPs de NPs de Pt han mejorado la dispersión de la luz incidente, lo cual es benéfico para investigación adicional en fotodetectores de películas. Estudios adicionales están en marcha para desarrollar fotodetectores UV MgZnO de alta calidad.

Abreviaturas

AgO:

Óxido de plata

EDS:

Espectrómetro dispersivo en energía

MSM:

Metal-semiconductor-metal

NPs:

Nanopartículas

SPs:

Plasmones de superficie

UV:

Ultravioleta