Highly Selective Behavior of Thin Film ZnO Based Homojunction Photodetector for UV Sensing

Abstract

ZnO вважається важливим напівпровідниковим матеріалом у II-VI групах метал оксидів завдяки винятковим оптичним властивостям, які переконують багатьох дослідників використовувати його у виготовленні фотодетекторів для ультрафіолетового (УФ) зондування. Чутливість фотодетектора вимірюється через його сприйнятливість. У статті автори повідомили про p-n гомоперехід на основі наноструктурованої тонкої плівки ZnO для застосування його як фотодетектора в УФ-області. ZnO p-типу був отриманий селективним легуванням ZnO міддю. Вимірювання Холла та зонда гарячої точки підтвердили, що осаджена тонка плівка ZnO (CZO), легована Cu, має провідність p-типу з питомим опором 0,9 Ом∙см, концентрацією носіїв 1,0287 x 1018 см – 3 і рухливістю 6,5 см2/В∙с за кімнатної температури. Кристалічні морфологічні дослідження плівок ZnO проводили за допомогою рентгенівського дифрактометра (XRD), атомно-силової мікроскопії (AFM), енергодисперсійного спектру (EDAX). Вимірювання залежності струму від напруги (I-V) у темряві та при освітленні проводили з використанням аналізатора напівпровідникових пристроїв. Виготовлений пристрій має гарні властивості випрямлення із низьким зворотним струмом витоку та високим коефіцієнтом випрямлення. Виявилося, що пристрій стабільний і демонструє високе значення сприйнятливість 3,2 А/Вт при 376 нм для напруги зворотного зміщення 3 В. Виявлено, що продуктивність нового УФ-детектора з p-n переходом на основі ZnO перевершує існуючі фотодетектори з діодами Шотткі на основі ZnO.

ZnO is considered as a prominent semiconductor material in the II-VI metal-oxide group due to its exceptional optical properties that persuade many researchers to use it in the fabrication of photodetectors for ultraviolet (UV) sensing applications. The sensitivity of a photodetector is measured in terms of its responsivity. In this article, the authors have reported a p-n homojunction based on nanostructured ZnO thin film for application as a photodetector in the UV region. The p-type nature of ZnO was obtained by selective doping of ZnO with copper. Hall and hot point probe measurements confirmed that the deposited Cu doped ZnO (CZO) thin film poses p-type conductivity with a resistivity of 0.9 Ω∙cm, carrier concentration of 1.0287 x 1018 cm – 3 and mobility of 6.5 cm2/Vs at room temperature. The crystalline, morphological studies of ZnO films have been performed by X-ray diffractometer (XRD), atomic force microscopy (AFM), energy dispersive spectrum (EDAX). The current-voltage (I-V) measurements under dark and illuminated conditions have been carried out using Semiconductor Device Analyzer (SDA). The fabricated device shows good rectification property with low reverse leakage current and high rectification ratio. The device has been found to be stable and exhibiting a high value of responsivity (3.2 A/W) at 376 nm for a reverse bias voltage of 3 V. The performance of the new p-n junction ZnO based UV detector is found to outstrip the existing ZnO based Schottky diode photodetectors.