Ag纳米颗粒局域表面等离子体效应对混合结构MgZnO日盲紫外探测器性能影响的研究

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近些年来,宽带隙半导体材料及其日盲紫外探测器成为深紫外光电子领域的研究热点。与其他用于日盲紫外探测器的材料,如AlGaN,SiC,TiO2和Ga2O3相比,MgZnO薄膜材料有匹配的衬底,高辐射硬度,稳定性好,环境友好无污染,原料丰富等优点。而从器件性能而言,MgZnO紫外探测器可探测紫外光范围比较宽(160 nm-380 nm),对紫外光响应度相对较高。因此MgZnO薄膜材料是实现高性能全紫外波段光探测器一种较好的材料。本论文根据近年来MgZnO紫外探测器的发展状况,通过器件中MgZnO材料结构的调控和等离子增强效应提高混合结构MgZnO紫外探测器的性能,研究混合结构MgZnO生长结构的变化对其紫外光响应性能的影响。分别利用退火法和旋涂法制备Ag纳米颗粒来修饰混合结构MgZnO薄膜日盲紫外探测器表面,并且研究了不同尺寸和不同密度Ag纳米颗粒修饰对MgZnO探测器紫外光探测性能的影响。论文主要研究内容及结果如下:1.在非晶石英衬底上,用PLD制备了混合结构MgZnO薄膜,通过调控薄膜生长氧压调控MgZnO薄膜的生长结构,研究生长结构的变化对MgZnO紫外探测器性能的影响。研究发现随着氧压升高,混合结构MgZnO薄膜中六方相增多。当氧压为3.3 Pa时制备的混合结构MgZnO薄膜中高阻的立方MgZnO和低阻六方MgZnO交错分布,在紫外光照射下光生载流子在不同电阻的两相MgZnO之间由齐纳遂穿效应引起的增益较大,因而在该样品上制备的MgZnO紫外探测器在25 V外加偏压下,对255 nm的光响应度达到92.7 A/W,内增益达到451.4。无光辐射探测器表面时,器件在20V偏压下的暗电流只有64 pA,因此器件的信噪比最高可以达4个量级。由于器件中隧穿过程的发生和恢复速度很快,因此MgZnO紫外探测器的响应上升时间只有0.11 us,响应下降弛豫时间只有0.026ms。2.利用金属薄膜退火方法制备不同尺寸Ag纳米颗粒,并研究不同尺寸Ag纳米颗粒修饰对混合结构MgZnO日盲紫外探测器性能的影响。当直径尺寸在20-40 nm的Ag纳米颗粒引入到MgZnO紫外表面时,由于Ag纳米颗粒引入的表面等离子体四级共振效应,多级共振效应以及瑞利散射效应,MgZnO探测器在25 V偏压下对235 nm波长的光响应度从0.1 A/W提升到31.5 A/W,器件对深紫外响应度提升了288倍。3.利用旋涂法制备30 nm Ag纳米颗粒,通过旋涂不同层数的Ag纳米颗粒分散液调控Ag纳米颗粒的分散密度,研究不同密度Ag纳米颗粒对混合结构MgZnO紫外探测器紫外光响应特性的影响。随着小直径Ag纳米颗粒的密度增大,探测器在日盲紫外区的光响应度增强程度变大,当旋涂层数为3层时,Ag纳米颗粒密度最大,修饰的MgZnO紫外探测器在25 V偏压下,对约300 nm波长的紫外光响应度增强了33倍,并且Ag纳米颗粒的引入对器件暗电流和响应恢复速度并不不良影响。
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