Peningkatan Signifikan Fotodetektor Logam-Semikonduktor-Logam MgZnO melalui Coupling dengan Pt Nanoparticle Surface Plasmons
Abstrak
Kami mengusulkan dan mendemonstrasikan fotodetektor ultraviolet (UV) logam-semikonduktor-logam (MSM) MgZnO yang dibantu dengan plasmon permukaan (SPs) yang disiapkan dengan metode deposisi sputtering magnetron frekuensi radio. Setelah dekorasi permukaannya dengan nanopartikel Pt (NP), responsivitas semua fotodetektor jarak elektroda (3, 5, dan 8 μm) ditingkatkan secara dramatis; mengejutkan kami, membandingkan dengan mereka responsivitas sampel jarak yang lebih besar, lebih banyak SP dikumpulkan yang lebih kecil dari yang lain pada gilirannya. Mekanisme fisik yang berfokus pada SP dan lebar deplesi diberikan untuk menjelaskan hasil di atas.
Latar Belakang
ZnO adalah semikonduktor oksida dengan celah pita lebar langsung yang menarik (~ 3,37 eV) yang menampilkan kekerasan radiasi dan ramah lingkungan. Karakteristik ini membuatnya cocok untuk pembuatan perangkat optoelektronik gelombang pendek, seperti fotodetektor UV. Namun, karena ketidakmatangan doping tipe-p dan teknologi solar-blind terkait lainnya, kinerja fotodetektor UV berbasis ZnO masih lebih rendah dari yang diharapkan. Untuk pembuatan fotodetektor UV berbasis ZnO berkinerja tinggi, metode yang umum dan efektif adalah meningkatkan kualitas material dan mengoptimalkan teknologi perangkat, tetapi ini biasanya merupakan proses jangka panjang [1,2,3,4,5,6 ,7].
Baru-baru ini, banyak perhatian telah diberikan kepada SPs untuk kepentingan ilmiah mendasar mereka dan aplikasi praktis yang menjanjikan. SPs dapat diwujudkan dalam pelapis pada permukaan NP logam dengan sputtering magnetron. NP logam di permukaan dapat meningkatkan hamburan foton insiden dan membuat lebih banyak foton mencapai substrat, dan dengan demikian, penyerapan foton dapat ditingkatkan [8,9,10,11,12,13,14,15, 16,17,18]. Dalam banyak penelitian terbaru, nanopartikel Ag dianggap sebagai bahan yang lebih baik. Tapi Ag bisa saja teroksidasi pada antarmuka ZnO-Ag untuk membentuk lapisan oksida perak (AgO) akhirnya [19]. Sebagai jenis logam baru dan sifat stabilitas di dunia, elemen platinum (Pt) telah menjadi kandidat penting dari bahan plasmonik, yang SPs-nya terletak pada kisaran UV. Selain itu, struktur logam-semikonduktor-logam (MSM) telah dipilih secara istimewa untuk fotodetektor MgZnO, dengan keunggulan struktur perangkat planar, respons foto yang cepat, dan kesederhanaan dalam proses fabrikasi. Namun, ada penyelidikan sistematis yang agak terbatas dari efek gabungan dari tinggi penghalang dan lebar penipisan, meskipun itu dapat meningkatkan kemajuan aplikasi praktis dan fisika dasar yang sempurna. Dalam karya ini, fotodetektor UV MgZnO dengan lapisan aktif dan jarak elektroda yang berbeda telah dirancang dan dibuat.
Dalam makalah ini, kami membuat fotodetektor UV MgZnO MSM yang dibantu dengan SP yang disiapkan dengan metode deposisi sputtering magnetron frekuensi radio. Yang terpenting, responsivitas fotodetektor ditingkatkan dengan menyemprotkan logam Pt NP pada permukaan perangkat. Untuk mendemonstrasikan SPs, maka dengan membandingkan dengan jarak elektroda 3, 5, dan 8 m responsivitas jarak yang lebih besar, lebih banyak SP lebih kecil daripada yang lain pada gilirannya. Secara teori, lebih banyak SP, lebih banyak pasangan lubang elektron yang dihasilkan foto kemudian dibuat dan arus foto meningkat. Yang mengejutkan kami, karena responsivitas sampel dengan jarak yang lebih besar, lebih banyak SP dikumpulkan yang lebih kecil dari yang lain, menunjukkan bahwa metode ini merupakan pelengkap yang kuat untuk meningkatkan kinerja fotodetektor.
Metode/Eksperimental
Target MgZnO dibuat dengan mensinter campuran serbuk MgO dan ZnO murni 99,99% pada 1000 °C selama 10 jam di udara ambien kemudian ditempatkan pada target seng. (Kedua target telah terhubung erat oleh tap konduktif suhu tinggi. Diameter target Zn adalah 7 cm.) Jelas, aliran berkas MgZnO akan tertutup oleh aliran berkas Zn, mengurangi hilangnya atom Zn secara efektif [20] . Komposisi film MgZnO dapat dikontrol dengan mudah, bahkan pada suhu substrat yang tinggi.
Substrat kuarsa berturut-turut dibersihkan 30 menit dengan aseton, etanol, dan air deionisasi, kemudian ditiup kering dengan udara sebelum pengendapan. Film MgZnO ditumbuhkan pada substrat kuarsa terlebih dahulu, dengan tekanan total 3 Pa, daya semburan 120 W, pada suhu kamar. Terakhir, elektroda jari Au atas dibuat melalui litografi dan etsa basah, dengan panjang 500 m dan lebar 5 m dengan jarak 3, 5-, dan 8 m, dan jumlah pasangan jari adalah 15 (Gbr. 1 menunjukkan skema fotodetektor).
Skema 3D Mg0,24 Zn0,76 O UV PD dengan struktur MSM
Identifikasi fasa film MgZnO dikarakterisasi dengan difraktometer sinar-X (XRD) Rigaku Ultima VI dengan radiasi Cu Kα (λ = 1.54184 Å) pada 40 kV dan 20 mA. Spektrometer PerkinElmer Lambda 950 digunakan untuk spektrum absorbansi dalam rentang panjang gelombang dari 200 hingga 700 nm. Karakteristik tegangan arus (I-V) dari fotodetektor MgZnO diukur pada bias 20 V menggunakan Perlengkapan Uji Agilent 16442A. Respon spektral untuk fotodetektor MgZnO direkam menggunakan Zolix DR800-CUST.
Hasil dan Diskusi
Pola XRD film MgZnO dalam waktu sputtering yang berbeda ditunjukkan pada Gambar 2. Berikut adalah puncak difraksi yang terletak sekitar 34,84°, yang dapat diindeks ke bidang (002) MgZnO, dan ini berarti bahwa kristal film MgZnO adalah biasanya dibuat di sepanjang c -sumbu. Intensitas tanpa Pt NPs dan dengan sputtering puncak Pt NP MgZnO hampir sama, yang dapat membuktikan bahwa deposisi sputtering Pt NPs terdeposit pada permukaan film MgZnO dan tidak berpengaruh pada kualitas kristal film. Gambar 3 mengilustrasikan spektrum serapan optik dari tanpa Pt NP dan dengan sputtering film Pt NP MgZnO [21, 22]; hasilnya menunjukkan bahwa peningkatan penyerapan terjadi untuk detektor dengan Pt NP yang diendapkan karena mode SP. Dibandingkan dengan film MgZnO murni, penyerapan lapisan film MgZnO dengan Pt NP ditingkatkan dalam rentang spektrum. Bersamaan dengan itu, film MgZnO dicirikan oleh spektrometer dispersi energi (EDS), dan konsentrasi magnesium sekitar 24% (sisipan Gambar 3). Gambar SEM tampak bidang permukaan MgZnO dengan sputtering selama 20 detik, dengan Pt NP, ditunjukkan pada Gambar. 4. Diameter rata-rata Pt NP adalah sekitar 6,26 ± 0,50 nm.
Spektrum XRD dari Mg0,24 Zn0,76 O film
Spektrum serapan UV-terlihat dari Mg0,24 Zn0,76 O film
Gambar SEM tampilan bidang permukaan MgZnO dengan sputtering selama 20 d, dengan Pt NPs
Gambar 5 menunjukkan responsivitas fotodetektor MgZnO (dengan jarak elektroda yang berbeda) versus panjang gelombang cahaya datang pada bias 5 V. Kecenderungan peningkatan responsivitas benar-benar meningkat dengan mendekorasi Pt NP. Khususnya, dalam kondisi yang sama, semua fotodetektor meningkat dengan berkurangnya jarak elektroda (3, 5, dan 8 μm). Oleh karena itu, komponen dominan dari peningkatan responsivitas adalah efek dari Pt NPs. Hasil penelitian menunjukkan bahwa rentang peningkatan responsivitas dapat dikontrol dengan mudah, yang berbeda dari metode konvensional seperti mengubah tegangan bias. Yang mengejutkan kami, karena responsivitas sampel dengan jarak yang lebih besar, lebih banyak SP dikumpulkan yang lebih kecil dari yang lain. Secara teori, karena lebih banyak SP muncul, lebih banyak pasangan lubang elektron yang dihasilkan foto kemudian dibuat dan arus foto meningkat. Fenomena tersebut tidak sesuai dengan teori. Karakteristik IV non-linier (ditunjukkan pada Gambar 6) untuk fotodetektor MgZnO menunjukkan bahwa kontak semikonduktor logam Schottky klasik telah tercapai. Hal ini juga menunjukkan bahwa arus gelap diperbesar dengan penurunan jarak elektroda pada bias yang sama, yang dapat dijelaskan dengan lebar penipisan persimpangan logam-semikonduktor.
Responsivitas fotodetektor MgZnO (dengan jarak elektroda berbeda) versus panjang gelombang cahaya datang pada bias 5 V
Karakteristik IV non-linier untuk fotodetektor MgZnO menunjukkan bahwa kontak semikonduktor logam Schottky klasik telah tercapai
Untuk mengungkap sifat dari fenomena yang menarik, dua kemungkinan alasan diusulkan sebagai penyebab yang dihasilkan antara peningkatan responsivitas dan arus gelap:(1) Untuk mendapatkan target kombinatorial yang ideal dari fotodetektor MgZnO, kami menggunakan Pt NPs untuk memodifikasi perangkat lagi. Cahaya insiden dengan panjang gelombang yang cocok berinteraksi dengan NP logam secara efisien pada penampang hamburan yang jauh lebih besar daripada penampang geometrisnya melalui sambungan dengan SPs. Mekanisme efek hamburan plasmonik telah dijelaskan dalam literatur. Dengan demikian, cahaya yang tersebar kemudian memperoleh penyebaran sudut tertentu di lapisan MgZnO. Akibatnya, cahaya datang akan melewati beberapa kali melalui semikonduktor, meningkatkan panjang jalur optik efektif. Lebih penting lagi, meningkatkan panjang jalur optik dapat meningkatkan penyerapan cahaya. Spektrum fotorespons dengan Pt NP secara bertahap lebih tinggi daripada tanpa perangkat Pt NP (Gbr. 7a menunjukkan skema SP). (2) Lebar penipisan (W ) menjelaskan mengapa responsivitas semua fotodetektor MgZnO meningkat dengan berkurangnya jarak elektroda pada bias yang sama. Lebar deplesi dapat digambarkan sebagai [23]
dimana ɛ0 adalah konstanta dielektrik absolut, ɛ1 adalah konstanta dielektrik relatif, ψ0 adalah potensi bawaan, V adalah tegangan bias, q adalah muatan elektron, dan Nd adalah konsentrasi donor. Ketika jarak elektroda meningkat, area film tipis semikonduktor akan meningkat, yang mengacu pada peningkatan resistansi efektif. ɛ0 , ɛ1 , ψ0 , V , q , dan Td adalah invarian, sehingga mengakibatkan pelebaran saat jarak elektroda meningkat, menghasilkan penurunan tegangan yang bekerja pada daerah penipisan. Orang hanya dapat melihat efek bias dari lebar penipisan; tegangan yang diterapkan pada daerah penipisan berkurang seiring dengan bertambahnya jarak elektroda. Oleh karena itu, setiap pembawa foto yang dihasilkan di wilayah ini akan tersapu oleh medan listrik tinggi dan melayang ke elektroda logam. Dengan demikian, jumlah pembawa foto yang dihasilkan akan meningkat, membuat tren responsivitas berlawanan dengan peningkatan jarak (Gbr. 7b menunjukkan skema lebar deplesi). Namun, semua fotodetektor meningkat dengan penurunan jarak elektroda (3, 5, dan 8 μm); di bawah ukuran dan kepadatan NP yang sama, jarak elektroda yang lebih besar memiliki NP yang lebih tereksitasi; dan kemudian kemampuan medan dekat digabungkan ke semikonduktor lebih kuat. Lebih banyak pasangan lubang elektron yang dihasilkan foto kemudian dibuat, dan arus foto secara teori meningkat. Perlu dicatat bahwa responsivitas semua fotodetektor meningkat dengan penurunan jarak elektroda (3, 5, dan 8 μm) dan tegangan bias konstan. Seperti disebutkan di atas, faktor dominan berfokus pada lebar penipisan untuk menjelaskan fenomena menarik ini. Semua hasil mengungkapkan rute yang praktis untuk meningkatkan responsivitas SP. Di sini, dibandingkan dengan bahan lain yang umum digunakan atau fotodetektor sebelumnya, banyak atom Zn yang hilang selama proses pertumbuhan, yang disebabkan oleh tekanan uap Mg yang lebih tinggi dibandingkan dengan Zn. Ini akan memiliki banyak cacat pembentukan ke dalam film karena kekurangan atom Zn. Pembawa foto akan diperparah oleh cacat, dan responsivitas fotodetektor buta matahari akan berkurang sebagian besar. Selain itu, karena hilangnya atom Zn, gangguan dan fluktuasi isi sulit untuk dihindari, dan fenomena ekor tarik dari tepi serapan akan mengikuti. Akibatnya, rasio penolakan UV-tampak akan meluruh seiring dengan penurunan deteksi. Akibatnya, pengendalian rasio stoikiometrik dalam film dapat menjadi rute untuk meningkatkan kinerja fotodetektor MgZnO. SPs dapat diwujudkan dalam pelapis pada permukaan NP logam dengan sputtering magnetron. NP logam di permukaan dapat meningkatkan hamburan foton yang datang dan membuat lebih banyak foton mencapai substrat, dan dengan demikian, penyerapan foton dapat ditingkatkan. Secara teori, lebih banyak SP, lebih banyak pasangan lubang elektron yang dihasilkan foto kemudian dibuat dan arus foto meningkat. Untuk mendemonstrasikan SPs dengan membandingkan dengan jarak elektroda 3, 5, dan 8 m responsivitas jarak yang lebih besar, lebih banyak SP lebih kecil daripada yang lain.
a Skema SPs. b Skema lebar deplesi
Kesimpulan
Untuk mendapatkan fotodetektor MgZnO yang ideal, kami membuat fotodetektor ultraviolet MgZnO MSM dengan jarak elektroda yang berbeda (3, 5, dan 8 μm). Kemudian, kami memiliki pendekatan baru (kami menggunakan Pt NP untuk memodifikasi perangkat) untuk meningkatkan kinerja perangkat. Yang mengejutkan kami, dengan membandingkan dengan mereka responsivitas sampel jarak yang lebih besar, lebih banyak SP dikumpulkan yang lebih kecil dari yang lain pada gilirannya. Kami merinci lebar penipisan yang lebih luas, untuk menjelaskan respons optimal, dan kami mengusulkan bahwa SPs dari Pt NPs telah meningkatkan hamburan cahaya yang datang, yang bermanfaat untuk penyelidikan lebih lanjut dalam fotodetektor film. Studi lebih lanjut sedang dilakukan untuk mengembangkan fotodetektor UV MgZnO berkualitas tinggi.
