Ptナノ粒子表面プラズモンとのカップリングによるMgZnO金属-半導体-金属光検出器の大幅な強化

背景

ZnOは、魅力的な広い直接バンドギャップ（〜3.37 eV）酸化物半導体であり、耐放射線性と環境への配慮が特徴です。これらの特性により、UV光検出器などの短波長オプトエレクトロニクスデバイスの製造に適しています。ただし、p型ドーピングおよびその他の関連するソーラーブラインド技術が未成熟であるため、ZnOベースのUV光検出器の性能は依然として予想よりも低くなっています。高性能のZnOベースのUV光検出器を製造する場合、一般的で効果的な方法は、材料の品質を改善し、デバイステクノロジーを最適化することですが、これは通常、長期的なプロセスです[1,2,3,4,5,6 、7]。

最近、SPの基本的な科学的重要性と有望な実用化のために、SPに多くの注目が集まっています。 SPは、マグネトロンスパッタリングによって金属NPの表面のコーティングで実現できます。表面の金属NPは、入射光子の散乱を強化し、より多くの光子を基板に到達させることができます。したがって、光子の吸収を強化できます[8、9、10、11、12、13、14、15、 16,17,18]。最近の多くの研究では、Agナノ粒子がより優れた材料であると考えられています。しかし、AgはZnO-Ag界面で酸化され、最終的に酸化銀​​（AgO）の層を形成する可能性があります[19]。世界の一種の新規で安定性のある金属として、白金（Pt）元素は、SPがUV範囲にあるプラズモン材料の重要な候補となっています。さらに、MgZnO光検出器には金属-半導体-金属（MSM）構造が優先的に選択されており、平面デバイス構造、高速光応答、製造プロセスの簡素化という利点があります。しかし、それが実用化の進歩と完全な基礎物理学を促進する可能性があるとしても、障壁の高さと空乏幅の複合効果の体系的な調査はかなり限られています。この作業では、さまざまな活性層と電極間隔を備えたMgZnOUV光検出器を設計および製造しました。

この論文では、高周波マグネトロンスパッタリング堆積法によって調製されたSPを利用したMgZnO MSMUV光検出器を製造しました。最も重要なことは、光検出器の応答性が、デバイスの表面に金属PtNPをスパッタリングすることによって強化されたことです。 SPを実証するために、3、5、および8μmの電極間隔と比較することにより、より大きな間隔の応答性により、より多くのSPが他のSPよりも小さくなります。理論的には、より多くのSP、より多くの光生成された電子正孔対が作成され、それに応じて光電流が増加します。驚いたことに、間隔の広いサンプルの応答性により、他のサンプルよりも小さいSPがより多く収集され、この方法が光検出器のパフォーマンスを向上させる強力な補完物であることを示しています。

メソッド/実験

MgZnOターゲットは、99.99％の純粋なMgOとZnO粉末の混合物を、空気環境中で1000°Cで10時間焼結することによって調製され、亜鉛ターゲット上に配置されました。 （2つのターゲットは高温導電性タップで密接に接続されています。Znターゲットの直径は7 cmです。）明らかに、MgZnOビームフローはZnビームフローによって囲まれ、Zn原子の損失を効果的に低減します[20]。 。基板温度が高い場合でも、MgZnO膜の組成を簡単に制御できます。

石英基板をアセトン、エタノール、脱イオン水で30分間連続して洗浄し、空気を吹き付けて乾燥させてから堆積させました。 MgZnO膜は、最初に石英基板上に、全圧3 Pa、スパッタリングパワー120 W、室温で成長させました。最後に、上部のAuフィンガー電極は、リソグラフィとウェットエッチングによって構築されました。これらは、長さ500 µm、幅5 µm、間隔3、5、および8 µmで、フィンガーペアの合計は15でした（図1は光検出器の概略図）。

Mg _0.24 の3D概略図 Zn _0.76 OMSM構造のUVPD

MgZnO膜の相同定は、40kVおよび20mAでCuKα放射線（λ=1.54184Å）を使用するRigaku Ultima VI X線回折計（XRD）によって特徴付けられます。 PerkinElmer Lambda 950分光計は、200〜700nmの波長範囲の吸光度スペクトルに使用されます。 MgZnO光検出器の電流-電圧（I-V）特性は、Agilent16442Aテストフィクスチャを使用して20Vバイアスで測定されます。 MgZnO光検出器のスペクトル応答は、ZolixDR800-CUSTを使用して記録されます。

結果と考察

異なるスパッタリング時間でのMgZnO膜のXRDパターンを図2に示します。これは約34.84°にある回折ピークであり、MgZnOの（002）面にインデックスを付けることができます。これは、MgZnO膜の結晶が通常、 c に沿って製造されます -軸。 Ｐｔ ＮＰを含まない場合とスパッタリングを伴う場合のＰｔ ＮＰ ＭｇＺｎＯピークの強度はほぼ同じであり、これは、スパッタリング堆積Ｐｔ ＮＰがＭｇＺｎＯ膜の表面に堆積し、膜の結晶品質に影響を及ぼさなかったことを証明できる。図3は、PtNPを使用しない場合とPtNP MgZnO膜をスパッタリングした場合の光吸収スペクトルを示しています[21、22]。この結果は、SPモードが原因でPtNPが堆積したままの検出器で吸収の増強が発生することを示唆しています。手付かずのMgZnO膜と比較して、PtNPでコーティングされたMgZnO膜の吸収はスペクトル範囲で向上します。同時に、MgZnO膜はエネルギー分散型分光計（EDS）によって特徴付けられ、マグ​​ネシウム濃度は約24％です（図3の挿入図）。図4に、PtNPを使用した20秒間のスパッタリングによるMgZnO表面の平面SEM画像を示します。PtNPの平均直径は約6.26±0.50nmです。

Mg _0.24 のXRDスペクトル Zn _0.76 Oフィルム

Mg _0.24 のUV-可視吸収スペクトル Zn _0.76 Oフィルム

Pt NPを使用した、20秒間のスパッタリングによるMgZnO表面の平面SEM画像

図5は、5 Vバイアスでの入射光波長に対するMgZnO光検出器（電極間隔が異なる）の応答性を示しています。応答性向上の傾向は、PtNPを装飾することによって完全に増加しました。特に、同じ条件下では、すべての光検出器は電極間隔（3、5、および8μm）の減少とともに増加します。したがって、応答性向上の主要な要素は、PtNPの効果です。この結果は、バイアス電圧の変更などの従来の方法とは異なり、応答性の向上範囲を容易に制御できることを示しています。驚いたことに、より大きな間隔のサンプルの応答性のために、他よりも小さいより多くのSPが収集されました。理論的には、より多くのSPが現れるため、より多くの光生成電子正孔対が作成され、それに応じて光電流が増加します。この現象は理論と矛盾しています。 MgZnO光検出器の非線形I-V特性（図6に示す）は、従来のショットキー金属-半導体接触が達成されたことを示しています。また、同じバイアスで電極間隔が狭くなると暗電流が拡大することも示されています。これは、金属-半導体接合の空乏幅によって説明できます。

5 Vバイアスでの入射光波長に対するMgZnO光検出器（電極間隔が異なる）の応答性

MgZnO光検出器の非線形I-V特性は、従来のショットキー金属-半導体接触が達成されたことを示しています

興味深い現象の性質を明らかにするために、応答性の向上と暗電流の間に生じる原因として2つの考えられる理由が提案されています。（1）MgZnO光検出器の理想的なコンビナトリアルターゲットを取得するために、PtNPを使用してデバイスを変更します。また。一致する波長の入射光は、SPとの結合により、幾何学的断面よりもはるかに大きい散乱断面にわたって効率的に金属NPと相互作用します。プラズモン散乱効果のメカニズムは、文献に記載されています。したがって、散乱光は、MgZnO層で特定の角度の広がりを獲得します。その結果、入射光は半導体を数回通過し、有効光路長が長くなります。さらに重要なことに、光路長を長くすると、光の吸収を高めることができます。 Pt NPを使用した場合の光応答スペクトルは、Pt NPデバイスを使用しない場合よりも徐々に高くなりました（図7aにSPの概略図を示します）。 （2）空乏幅（ W ）は、すべてのMgZnO光検出器の応答性が、同じバイアスで電極間隔を小さくすると増加する理由を説明しています。空乏幅は[23]

ここでɛ ₀ は絶対誘電率、ɛ ₁ は比誘電率ψです ₀ は組み込みポテンシャル V はバイアス電圧、 q は電子の電荷であり、 N _d ドナー濃度です。電極の間隔が広がると、半導体薄膜の面積が増加します。これは、実効抵抗が増加することを意味します。 ɛ ₀ 、ɛ ₁ 、ψ ₀ 、 V 、 q 、および N _d は不変であるため、電極間隔が大きくなるにつれて広がり、空乏領域に作用する電圧が低下します。枯渇幅のバイアス効果のみを見ることができます。空乏領域に印加される電圧は、電極間隔が大きくなるにつれて減少することです。したがって、この領域で光生成されたキャリアは、高電界によって一掃され、金属電極にドリフトします。したがって、光生成キャリアの量が増加し、間隔の増加とは逆に応答性の傾向が生じます（図7bは空乏幅の概略図を示しています）。ただし、すべての光検出器は、電極間隔（3、5、および8μm）が小さくなると増加します。同じNPサイズと密度では、電極間隔が大きいほど、励起されるNPが多くなります。そして、近接場の能力が半導体に結合されます。次に、より多くの光生成された電子正孔対が作成され、それに応じて光電流が理論的に増加します。すべての光検出器の応答性は、電極間隔（3、5、および8μm）が減少するにつれて増加し、バイアス電圧は一定であることに注意してください。上記のように、支配的な要因は、この興味深い現象を説明するために枯渇幅に焦点を当てています。すべての結果は、SPの応答性を改善するための実用的なルートを示しています。ここでは、他の一般的に使用されている材料や以前の光検出器と比較して、成長プロセス中に多くのZn原子が失われています。これは、Znと比較してMgの蒸気圧が高いためです。 Zn原子の不足により、膜に多くの欠陥が形成されます。光キャリアは欠陥によって複合され、ソーラーブラインド光検出器の応答性は大幅に低下します。また、Zn原子の喪失により、含有量の乱れや変動を回避することが難しく、吸収端のトウテール現象が続きます。その結果、UV-可視除去率は、検出率の低下に伴って減衰します。結果として、フィルムの化学量論比の制御は、MgZnO光検出器の性能を改善するためのルートである可能性があります。 SPは、マグネトロンスパッタリングによって金属NPの表面のコーティングで実現できます。表面上の金属NPは、入射光子の散乱を強化し、より多くの光子を基板に到達させることができるため、光子の吸収を強化することができます。理論的には、より多くのSP、より多くの光生成された電子正孔対が作成され、それに応じて光電流が増加します。 3、5、および8μmの電極間隔と比較してSPを示すために、より大きな間隔の応答性では、より多くのSPが他のSPよりも小さくなります。

a SPの概略図。 b 空乏幅の概略図

結論

理想的なMgZnO光検出器を得るために、電極間隔（3、5、および8μm）が異なるMgZnOMSM紫外線光検出器を製造しました。次に、デバイスのパフォーマンスを向上させるための新しいアプローチ（Pt NPを使用してデバイスを変更する）があります。驚いたことに、より大きな間隔のサンプルの応答性を比較することにより、他のSPよりも小さいSPがより多く収集されました。最適化された応答性を説明するために、より広い空乏幅を詳しく説明し、Pt NPのSPが入射光の散乱を強化したことを提案します。これは、フィルム光検出器のさらなる調査に役立ちます。高品質のMgZnOUV光検出器を開発するためのさらなる研究が進行中です。

略語

AgO：

酸化銀

EDS：

エネルギー分散型分光計

MSM：

金属-半導体-金属

NP：

ナノ粒子

SP：

表面プラズモン

UV：

紫外線