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基于可见光的Au/ZnO量子点高灵敏度和光谱选择性肖特基二极管
Yogesh Kumar , IEEE学生成员, HemantKumar, IEEE 学生成员, BratindranathMukherjee , Gopal Rawat , ChadanKumar , Bhola Nath Pal和Satyabrata Jit IEEE高级成员
摘要---本文对Au/ZnO量子点(QDs)基肖特基光电二极管的光学和电学性质进行了分析。采用低成本溶液处理技术在n-Si （111）衬底上沉积了ZnO量子点薄膜，采用热蒸发法在ZnO量子点薄膜上沉积了肖特基接触金(Au)电极。在-5V偏压下, 光电二极管的响应率和对比度分别为41.17AW和2.289x个。此外，还分析了该光电极管在250~900 nm波长范围内的光谱响应。光电二极管在半极大值处的全宽度为90nm ,中心波长为365nm,说明了光电二极管的颜色选择性。进一步分析发现，该装置的整流比、理想因子和势垒高度分别为2.21*、2.57和0.80eV。所获得的电学和光学参数是ZnO基紫外探测器的最佳报道值。
关键字---势垒、响应度、肖特基二极管、光谱选择性、氧化锌量子点（QDs）
- 导言
带隙可调性、输运能控性和大的表面体积比是量子点(QDs)在光电子应用中的关键创新点[1]。当粒子尺寸保持在玻尔半径附近时，量子点表现出约束特性，这对探测器的光谱选择性有很大的影响[2]。ZnO[2]、 CdSe[3]、PBS[5]、HgTe[6]和PbSe[7]等量子点是制备光电探测器的活性层。在这些材料中，氧化锌主要用于紫外光检测。例如在军事领域,星象学研究，光通信,导弹发射探测[8]-[10]。ZnO的高直接带隙(3.37eV)、强的辐射硬度、高的化学稳定性和低成本的[11]、[12]等特性使其在光电子领域的应用更具吸引力。光电探测器的质量取决于各种性能因素,包括响应度、时间响应、光谱选择性等。在早期的研究中,各种技术被用来提高ZnO基紫外光探测器的性能其中, Jin等人[13]利用ZnO基纳米晶制作金属-半导体-金属(MSM)探测器,在波长370 nm时,在极高的外加偏压120 V下获得61 AW的响应率。Yu和TiN[14]在~10 nm半极大值处获得了很高的全宽光谱选择性,在376 nm波长的外加偏压为3V时,响应率很低，为0.052 AW。较早报道的文献[2]、[14]、[15]在紫外光照射FMSM器件结构中获得了较高的响应率和较慢的恢复时间。Yadav等人[16]报道了溶胶-凝胶衍生的Pd/ZnO肖特基光电二极管，其响应率为8.39AW,外加偏压为-5V,波长为365nm.上述几篇文章均表现出很高的响应度[2]、[14]、[15],但具有宽光谱选择性或很慢的瞬态响应。此外，Jin等人[13]实现了非常窄的半高宽，但却以极低的响应率为代价。上述细节清楚地表明,需要有快速开关能力的光谱选择性、高响应性的紫外光电探测器。本文报道了用低成本溶液工艺在n-Si衬底上制备Au/ZnO量子点基肖特基光电二极管。在波长为365 nm（800mu;W/）的条件下,光二极管的对比度、响应度和探测率分别为2.289*、41.17 A/W和1.57*cm。此外,响应谱的半高宽为90 nm。光电二极管的瞬态响应为73.1 -ms上升时间和~ 17.85-ms下降时间。光电二极管的理想因子为2.57 ,整流比为2.21x103 ,反向饱和电流为15n势垒高度为0.80eV。该器件的整体性能在响应性和光谱选择性方面均优于以往报道的工作。
图1.(A)Au/ZnO量子点肖特基光电极管的器件结构。(B)在n-Si 上制作并用银糊包装的装置。高度0.80eV。该器件的整体性能在响应性和光谱选择性方面均优于以往报道的工作。
二、实验细节
- ZnO量子点的制备
采用[2]和[4]中描述的方法,以乙酸锌为前驱体，在氮气稳定流动的三颈瓶中溶解于2-甲氧基乙醇中，合成了ZnO量子点。制备的溶110液在惰性氛中进一步搅拌24h ,然后用聚偏氟乙烯膜(0.22mu;m)过滤,过滤出未反应的颗粒，以提高表面的均匀性。
- 设备制造
在制备薄膜器件时,用三氯2烯、丙酮和去离子水(电阻率为18m-cm2)依次对基片进行清洗。在: (2 : 3) 溶液中浸泡10 min ,去除基体表面的金属颗粒。此外,基板经常在运行的DI水下冲洗,以去除酸性物质。 底物在
HF :Di(1 : 10)溶液中浸没2 min ,去除生长在衬底表面的不需要的天然氧化物。然后，将硅片在清水中漂洗2次,在90°C预焙炉中干燥15 min ,最后将清洗后的基材放置于等离子体清洗 5 min。清洗后的n-Si 111衬底(中掺杂表面电阻率~2-7Omega;.)放置在自旋镀膜器(SPM-150 LCTSE-系统GmbH ,德国)上,用微吸管将胶体ZnO量子点的溶液滴在基片上。旋转涂布机的速度设定在3000 r/min,持续20s。旋转涂层后,立即将基体置于150°C预焙热板上15 min。为了达到反射计(F 20薄膜紫外分析仪测量的~200 nm的厚度,多次重复了这一过程。此外，ZnO量子点在450°C环境下退火30 min。Au电极,如图1(B)所示，是在真空下用阴影掩模技术在ZnO量子点薄膜上热蒸发的。图1(A)和(B)分别显示了所述闪蒸肖特基光电二极管的原理图器件结构和照片。
图2.(A)ZnO量子点的TEM图像。(B)增大 了ZnO量子点的透射电镜。(C)ZnO量 子点的SAED模式。图1(A)和(B)分别显示 了所述闪蒸肖特基光电二极管的原理图器件结构和照片。
- 结果和讨论
A、ZnO量子点薄膜表征
图2(A)-(C)用TEM即透射电镜(TECNAI G2 20 TWIN)表征了ZnO的表面形貌和选区电子结构（SAED）。所得量子点的粒径在~ 2.33nm范围内,小于激子玻尔半径(即~2.87nm)。因此,确定粒子在性质上确实是量子点。衍射图中扩散的同心圆环证实了量子点的小尺寸，其它文献报道了生长的ZnO量子点的SAED图案的细节。图3(A)和(B)显示了在450°C退火的氧化锌量子点的高分辨扫描电子显微镜(HRSEM) ,其晶粒尺寸为~13.33nm ,均匀生长在硅衬底的完整表面上。图3(C)也显示了450°C退火的ZnO量子点薄膜的X射线衍射(XRD)图。XRD分析结果表明, ZnO量子点在450°C退火后有一个单峰,用JCPDS卡36-1451确定单峰为002 , ZnO量子点的结构为纤锌矿(六方)结构。
B、电气和光学特性
Au/ZnO肖特基光电极管的电流密度(J-V)和电容电压(C-V)特性如图所示。4和5用半导体参数分析仪(B1500A , Keysight)测量。测量了单UVLED(365nm处800uW/)暗光和光照下的J-V特性。在黑暗条件下，J-V特性清晰地表现出整流行为,校正率高达2.21*，对比度也是在-5V偏压下UVLED的照明下计算的。Au/ZnO肖特基光电极管具有很高的光电流与暗电流比,即对比度为2.289*,这也表明在紫外光ED的照明下产生了大量的光载流子。在肖特基光电极管的照明下获得了大量的光电流,这是由于ZnO量子点的表面体积比很大,并且两个相邻量子点Z间存在势垒[15]。
图3.(A)450°C退火30 min ZnO量子点的HRSEM图像。(B)450°C退火30 min后,
ZnO量子点的HRSEM图像放大。(C)450°C退火ZnO量子点的XRD谱
在室温黑暗条件下,分别从(1)-(3)中提取了前向电流、势垒高度和理想因子[16]
I = exp
= -ln
n =
A是接触面积(0.1256),Q是电子电荷，V是外加偏压;I0是反向饱和电流, T是温度, k是Boltzmann常数, A*是Richardson常数。根据文献[17]、[18]所描述的标准方法,反饱和电流(IO)、势垒高度(phi;B,eff)和理想因子(N)的值分别为15NA、0.80eV和2.57(1)-(3)。需要注意的是，理想因子的估计值(i.e., 2.57)远大于理想的单位值(n=1)。一般来说,对于肖特基结的金属和半导体之间的空间均匀(或多或少是原子平坦的)界面,理想因子ngt;1是由几个因素造成的,例如Au/ZnO界面的界面态,界面电场弓起的像力垒降低,以及空间电荷区内的产生/复合电流[18]。然而，对于任何在金属-半导体之间没有任何界面层的肖特基结，理想因子与理想值的偏差是由于金属/半导体界面上存在的空间不均匀[18]所致。因此，本文观测到的Au/ZnO量子点肖特基二极管的理想因子n=2.57(gt;1)可归因于任何实际肖特基结[18]中存在的势垒不均匀现象。
图4.Au/ZnO肖特基光电二极管在365 nm的紫外光照射下,在800~800 W/光功率下的J-V特性。
图5 Au/ZnO QD肖特基光电极管在500kHz下的C-V特性
被测的C-V和(/)-V特性如图5所示。按照[17]和[19]的标准方法, Au/ZnO量子点的内建势(VBI)、ZnO量子点层的载流子浓度(Nd)和Au/ZnO量子点肖特基接触处的势垒高度分别为~0.75V、~9.495x 和0.86eV。 注意,根据I-V和C-V特性测得的势垒高度之间的差异约为0.06eV，这是由于肖特基结界面[17]、[18]、[20]处出现的巴列不均匀现象所致。
R = 41.17 A/W
图6.ZnO量子点表面电荷分布和能带(A)在黑暗条件下和(B)在紫外光照射下
其中是在波长365nm的光照下,外加偏压为-5V的光电流,其光功率密度为800mu;W/
RA = =
其中RA是应用偏压下的电阻区乘积。
D = 1.57 * cm
ZnO量子点基肖特基光电二极管的最大响应率为1.17(本文)gt; 8.39AW[16]。这种反应度的巨大提高清楚地表明了一定数量的其他活性因素，这些因素参与了包括氧化学吸附在内的光响应[15]。在ZnO量子点中量子点的表面能很高，在[13]-[16]暗条件下,氧分子很容易吸附在量子点表面,通过捕获自由电子( )得到电离。这种来自量子点表面的电荷载流子的耗尽在两个相邻量子点之间产生了低导电耗尽区,如图6(A)[15]所示。因此,耗尽区的引入了两个相邻量子点之间的表面势垒,并使能带向上弯曲。这种ZnO薄膜是紧密堆积的ZnO量子点的组装,结势垒沿量子点形成,类似于背对背肖特基势垒[15]。
特别是在小尺寸ZnO量子点的情况下,给定厚度的界面数目很大,这种界面行为是影响载流子输运特性的一个非常重要的因素[21]。在紫外光照射下, ZnO量子点根据禁带吸收入射光子。光子的这种吸收在量子点表面产生电子空穴对(hv ) ,如图6(B)[15]所示，光生空穴迁移到ZnO量子点表面，从ZnO量子点表面释放吸附氧。如图6(B)所示,这种氧的释放降低了表面势垒高度,并导致了光生电流的急剧增加，如图4所示，在紫外光LED照明下器件的J-V特性也显示了这一点。我们还计算了我们的器件在可变光功率密度下的响应率，肖特基光电二极管显示,响应率随着光功率密度的增加而不断增加,如图7所示。响应度的增加是由于光电流传输的改善率较高,这是由于在较高强度的紫外线照射下,势垒高度进一步降低[22] ,如图7所示。应该指出的是,大多数基于uv的应用程序都具有非常强的辐射强度。
图7.肖特基光电二极管在一5-V偏置下的响应率和光电流随光功率在365 nm处的变化而变化。
图8.Au/ZnO量子点肖特基光电二极管在外加- 5、- 3和- 1V偏压下的响应谱.
例如，使用飞利浦紫外灯(PL-S 9W/01/2P)治疗银屑病,其辐射高达1-W[23].这清楚地表明, Au/ZnO QD基肖特基光电极管对图7所示光功率密度的响应度不断增加,这使它成为满足印度河试验标准的有趣的候选材料。肖特基光电二极管的响应率谱也是根据250到900 nm的波长计算的,如图8所示。肖特基光电二极管的光谱响应用单色仪(普林斯顿仪器,SP2150i)和数字万用表(Agilent,34410A)测量,扫描速率为60nm/min。用PM100D、Thorlab探测器测量了光源(单色和紫外LED)的光功率密度。
表一 光电二极管电、光参数与文献报道器件的比较
图9.氧化锌量子点薄膜的归化吸收(厚度200 nm)和Au薄膜的透射率(厚度70nm)。
对肖特基光电极管在-5、-3和 -1的外加偏置下的响应曲线进行了解析，肖特基光电二极管的响应度谱在完全位于紫外区时，显示出90nm半高宽一致的选择性响应。在光功率密度为83mu;W/ ,外加偏压为5V
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