Peningkatan Performa Fotodetektor MSM MgZnO dengan Plasmon Permukaan yang Dipicu Nanopartikel Pt
Abstrak
Kami mengusulkan dan mendemonstrasikan fotodetektor ultraviolet (UV) metal-semikonduktor-metal (MSM) MgZnO yang dibantu plasmon permukaan (SP), disiapkan dengan metode penyetiran magnetron sputtering radio frekuensi. Setelah permukaan dihiasi dengan nanopartikel (NP) Pt, responsivitas semua fotodetektor dengan jarak elektroda (3, 5, dan 8 μm) meningkat secara dramatis. Untuk keterjagaan kami, dibandingkan dengan sampel jarak lebih kecil, sampel dengan jarak elektroda lebih besar ternyata mengumpulkan lebih banyak SP. Mekanisme fisika yang berfokus pada SP dan lebar depleksi diberikan untuk menjelaskan hasil di atas.
Latar Belakang
ZnO adalah oksida semikonduktor jarak gap langsung yang menarik (~3,37 eV) dengan kekerasan radiasi dan ramah lingkungan. Karakteristik ini membuatnya cocok untuk pembuatan perangkat optoelektronik panjang gelombang pendek, seperti fotodetektor UV. Namun, karena doping tipe-p yang belum matang dan teknologi solar-blind terkait, performa fotodetektor UV berbasis ZnO masih di bawah harapan. Untuk pembuatan fotodetektor UV berbasis ZnO dengan performa tinggi, metode umum dan efektif adalah meningkatkan kualitas material dan mengoptimalkan teknologi perangkat, namun ini biasanya merupakan proses jangka panjang [1,2,3,4,5,6,7].
Kini, banyak perhatian diberikan pada SP karena kepentingan ilmiah dasarnya dan aplikasi praktis yang janjiga. SP dapat diwujudkan dalam lapisan pada permukaan NP logam melalui magnetron sputtering. NP logam pada permukaan dapat meningkatkan pencaran foton insiden sehingga lebih banyak foton mencapai substrat, dan pada gilirannya penyerapan foton dapat ditingkatkan [8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18]. Dalam banyak studi terkini, NP Ag dianggap sebagai material yang lebih baik. Namun, Ag dapat teroksidasi di antarmuka ZnO-Ag membentuk lapisan oksida perak (AgO) [19]. Sebagai logam novel dengan stabilitas di dunia, elemen platinum (Pt) telah menjadi kandidat penting material plasmonik, di mana SP-nya berada dalam rentang UV. Selain itu, struktur metal-semikonduktor-metal (MSM) dipilih secara prioritas untuk fotodetektor MgZnO, dengan keuntungan struktur perangkat datar, respons foto yang cepat, dan kesederhanaan proses pembuatan. Namun, telah sangat terbatas penelitian sistematis mengenai efek gabungan ketinggian rintangan dan lebar depleksi, meskipun ini dapat mendorong kemajuan aplikasi praktis dan fisika dasar yang sempurna. Dalam pekerjaan ini, fotodetektor UV MgZnO dengan lapisan aktif dan jarak elektroda yang berbeda telah dirancang dan diproduksi.
Dalam makalah ini, kami memproduksi fotodetektor UV MSM MgZnO yang dibantu SP dengan metode penyetiran magnetron sputtering radio frekuensi. Yang terpenting, responsivitas fotodetektor ditingkatkan dengan menyetir NP logam Pt pada permukaan perangkat. Untuk mendemonstrasikan SP, kemudian dengan membandingkan jarak elektroda 3, 5, dan 8 μm responsivitas jarak lebih besar, lebih banyak SP yang lebih kecil dari yang lain secara berurutan. Secara teori, lebih banyak SP, lebih banyak pasangan elektron-lubang yang dihasilkan foto kemudian diciptakan dan arus foto pada gilirannya meningkat. Untuk keterjagaan kami, karena responsivitas sampel jarak lebih besar, lebih banyak SP yang dikumpulkan yang lebih kecil dari yang lain, menunjukkan bahwa metode ini adalah komplementasi yang kuat untuk meningkatkan performa fotodetektor.
Metode/Eksperimen
Target MgZnO disiapkan dengan siner pada campuran bubuk MgO dan ZnO murni 99,99% pada 1000 °C selama 10 jam dalam suasana udara kemudian ditempatkan pada target seng. (Kedua target terhubung erat dengan pita konduktif suhu tinggi. Diameter target Zn adalah 7 cm.) Jelas, aliran beam MgZnO akan dikelilingi oleh aliran beam Zn, mengurangi kehilangan atom Zn secara efektif [20]. Komposisi film MgZnO dapat dikontrol dengan mudah, bahkan pada suhu substrat tinggi.
Substrat kuarsa bersih secara berturut-turut selama 30 menit dengan aseton, etanol, dan air deion, kemudian dikeringkan dengan udara sebelum penyetiran. Film MgZnO ditumbuhkan pada substrat kuarta terlebih dahulu, dengan tekanan total 3 Pa, daya sputtering 120 W, pada suhu kamir. Akhirnya, elektroda jari Au atas dibuat melalui litografi dan pengikisan basah, yang panjangnya 500 μm dan lebarnya 5 μm dengan jarak 3-, 5-, dan 8-μm, dan jumlah pasang jari adalah 15 (Gambar 1 menunjukkan skematis fotodetektor).
Skematis 3D Mg0.24Zn0.76O UV PD dengan struktur MSM
Identifikasi fase film MgZnO dilakukan dengan difraktometer X-ray Rigaku Ultima VI (XRD) dengan radiasi Cu Kα (λ = 1,54184 Å) pada 40 kV dan 20 mA. Spektrometer PerkinElmer Lambda 950 digunakan untuk spektrum absorbansi pada rentang panjang gelombang 200 hingga 700 nm. Karakteristik arus-tegangan (I-V) fotodetektor MgZnO diukur dengan bias 20 V menggunakan Test Fixture Agilent 16442A. Respons spektral fotodetektor MgZnO dicatat menggunakan Zolix DR800-CUST.
Hasil dan Pembahasan
Pola XRD film MgZnO pada waktu penyetiran yang berbeda ditunjukkan dalam Gambar 2. Di sini terdapat puncak difraksi yang terletak pada sekitar 34,84°, yang dapat diindeks pada bidang (002) MgZnO, dan berarti bahwa kristal film MgZnO biasanya diproduksi sepanjang sumbu c. Intensitas puncak MgZnO tanpa NP Pt dan dengan sputtering NP Pt hampir sama, yang dapat membuktikan bahwa penyetiran NP Pt disetir pada permukaan film MgZnO dan tidak mempengaruhi kualitas kristal film. Gambar 3 menggambarkan spektrum absorpsi optik film MgZnO tanpa NP Pt dan dengan sputtering NP Pt MgZnO [21, 22]; hasilnya menunjukkan bahwa peningkatan absorpsi terjadi pada detektor dengan NP Pt yang ditetir karena mode SP. Dibandingkan dengan film MgZnO asli, absorpsi film MgZnO yang dilapisi NP Pt ditingkatkan dalam rentang spektrum. Secara bersamaan, film MgZnO dikarakterisir dengan spektrometer energi-dispersif (EDS), dan konsentrasi magnesium sekitar 24% (inset Gambar 3). Citra SEM tampilan permukaan MgZnO dengan sputtering selama 20 s, dengan NP Pt, ditunjukkan dalam Gambar 4. Diameter rata-rata NP Pt sekitar 6,26 ± 0,50 nm.
Spektrum XRD film Mg0.24Zn0.76O
Spektrum absorpsi UV-visibel film Mg0.24Zn0.76O
Citra SEM tampilan permukaan MgZnO dengan sputtering selama 20 s, dengan NP Pt
Gambar 5 menunjukkan responsivitas fotodetektor MgZnO (dengan jarak elektroda yang berbeda) terhadap panjang gelombang cahaya insiden pada bias 5 V. Kecenderungan peningkatan responsivitas sepenuhnya meningkat dengan menghiasi NP Pt. Secara terperinci, dalam kondisi yang sama, semua fotodetektor meningkat dengan menurunnya jarak elektroda (3, 5, dan 8 μm). Oleh karena itu, komponen dominan peningkatan responsivitas adalah efek NP Pt. Hasilnya menunjukkan bahwa rentang peningkatan responsivitas dapat dikontrol dengan mudah, yang berbeda dari metode konvensional seperti mengubah tegangan bias. Untuk keterjagaan kami, karena responsivitas sampel jarak lebih besar, lebih banyak SP yang dikumpulkan yang lebih kecil dari yang lain. Secara teori, karena lebih banyak SP muncul, lebih banyak pasangan elektron-lubang yang dihasilkan foto kemudian diciptakan dan arus foto pada gilirannya meningkat. Fenomena ini tidak konsisten dengan teori. Karakteristik I-V non-linear (ditunjukkan dalam Gambar 6) untuk fotodetektor MgZnO menunjukkan bahwa kontak metal-semikonduktor Schottky klasik telah tercapai. Juga ditunjukkan bahwa arus gelap diperbesar dengan menurunnya jarak elektroda pada bias yang sama, yang dapat dijelaskan oleh lebar depleksi junctio metal-semikonduktor.
Responsivitas fotodetektor MgZnO (dengan jarak elektroda yang berbeda) terhadap panjang gelombang cahaya insiden pada bias 5 V
Karakteristik I-V non-linear untuk fotodetektor MgZnO menunjukkan bahwa kontak metal-semikonduktor Schottky klasik telah tercapai
Untuk mengungkap sifat fenomena yang menarik ini, dua alasan mungkin diajukan sebagai penyebab yang menghasilkan hubungan antara responsivitas yang ditingkatkan dan arus gelap: (1) Untuk mendapatkan target kombinasi ideal dari fotodetektor MgZnO, kami menggunakan NP Pt untuk memodifikasi perangkat lagi. Cahaya insiden dengan panjang gelombang yang cocok berinteraksi dengan NP logam secara efisien melalui larutan pencaran yang jauh lebih besar dari larutan geometrisnya melalui kopling dengan SP. Mekanisme efek pencaran plasmonik telah dijelaskan dalam literatur. Oleh karena itu, cahaya yang dicemaskan kemudian memperoleh penyebaran sudut tertentu dalam lapisan MgZnO. Akibatnya, cahaya insiden akan melewati semikonduktor beberapa kali, meningkatkan jalur optik efektif. Yang lebih penting, meningkatkan jalur optik dapat meningkatkan penyerapan cahaya. Spektrum respon foto dengan NP Pt secara bertahap lebih tinggi dari pada perangkat tanpa NP Pt (Gambar 7a menunjukkan skematis SP). (2) Lebar depleksi (W) menjelaskan mengapa responsivitas semua fotodetektor MgZnO meningkat dengan menurunnya jarak elektroda pada bias yang sama. Lebar depleksi dapat dijelaskan sebagai [23]
di mana ɛ0 adalah konstanta dielektrik absolut, ɛ1 adalah konstanta dielektrik relatif, ψ0 adalah potensial built-in, V adalah tegangan bias, q adalah muatan elektron, dan Nd adalah konsentrasi donatur. Seiring bertambahnya jarak elektroda, luas tipis film semikonduktor akan meningkat, yang merujuk pada peningkatan resistansi efektif. ɛ0, ɛ1, ψ0, V, q, dan Nd adalah invarian, sehingga mengakibatkan pembesaran seiring bertambahnya jarak elektroda, yang pada gilirannya mengurangi tegangan yang bekerja pada daerah depleksi. Terlihat hanya efek bias lebar depleksi; tegangan yang diterapkan pada daerah depleksi menurun seiring bertambahnya jarak elektroda. Oleh karena itu, setiap pasang yang dihasilkan foto dalam daerah ini akan diusap oleh medan listrik tinggi dan berderet menuju elektroda logam. Dengan demikian, jumlah pasang yang dihasilkan foto akan meningkat, sehingga membuat tren responsivitas berlawanan dengan peningkatan jarak (Gambar 7b menunjukkan skematis lebar depleksi). Namun, semua fotodetektor meningkat dengan menurunnya jarak elektroda (3, 5, dan 8 μm); pada ukuran dan densitas NP yang sama, jarak elektroda yang lebih besar memiliki lebih banyak NP yang terangkit; dan kemudian kemampuan near-field untuk berkopling dengan semikonduktor lebih kuat. Lebih banyak pasangan elektron-lubang yang dihasilkan foto kemudian diciptakan, dan arus foto pada gilirannya meningkat secara teori. Perlu diperhatikan bahwa responsivitas semua fotodetektor meningkat dengan menurunnya jarak elektroda (3, 5, dan 8 μm) dan tegangan bias konstan. Seperti yang disebutkan di atas, faktor dominan berfokus pada lebar depleksi untuk menjelaskan fenomena menarik ini. Semua hasil mengungkapkan jalur praktis untuk meningkatkan responsivitas SP. Di sini, dibandingkan dengan material yang umum digunakan atau fotodetektor sebelumnya, banyak atom Zn hilang selama proses pertumbuhan, yang disebabkan oleh tekanan uap Mg yang lebih tinggi dibandingkan Zn. Ini akan menyebabkan banyak pembentukan defek dalam film karena kekurangan atom Zn. Pasang foto akan merekombinasikan dengan defek, dan responsivitas fotodetektor solar-blind akan berkurang secara signifikan. Selain itu, karena kehilangan atom Zn, ketidakteraturan dan fluktuasi konten sulit untuk dihindari, dan fenomena ekor absorption edge akan terjadi. Akibatnya, rasio penolakan UV-visibel akan menurun seiring dengan penurunan detektivitas. Oleh karena itu, pengendalian rasio stoikiometrik dalam film mungkin merupakan jalur untuk meningkatkan performa fotodetektor MgZnO. SP dapat diwujudkan dalam lapisan pada permukaan NP logam oleh magnetron sputtering. NP logam pada permukaan dapat meningkatkan pencaran foton insiden dan membuat lebih banyak foton mencapai substrat, dan pada gilirannya penyerapan foton dapat ditingkatkan. Secara teori, lebih banyak SP, lebih banyak pasangan elektron-lubang yang dihasilkan foto kemudian diciptakan dan arus foto pada gilirannya meningkat. Untuk mendemonstrasikan SP dengan membandingkan jarak elektroda 3, 5, dan 8 μm responsivitas jarak lebih besar, lebih banyak SP yang lebih kecil dari yang lain secara berurutan.
a Skematis SP. b Skematis lebar depleksi
Kesimpulan
Untuk mendapatkan fotodetektor MgZnO ideal, kami memproduksi fotodetektor UV MSM MgZnO dengan jarak elektroda yang berbeda (3, 5, dan 8 μm). Kemudian, kami memiliki pendekatan baru (kami menggunakan NP Pt untuk memodifikasi perangkat) untuk meningkatkan performa perangkat. Untuk keterjagaan kami, dengan membandingkannya, responsivitas sampel jarak lebih besar, lebih banyak SP yang dikumpulkan yang lebih kecil dari yang lain secara berurutan. Kami uraikan lebar depleksi yang lebih luas, untuk menjelaskan optimasi responsivitas, dan kami mengusulkan bahwa SP NP Pt telah meningkatkan pencaran cahaya insiden, yang bermanfaat untuk penelitian lebih lanjut dalam fotodetektor film. Penelitian lebih lanjut sedang berjalan untuk mengembangkan fotodetektor UV MgZnO berkualitas tinggi.
