陈汉鸿[1]2002年在《ZnO薄膜和ZnO紫外探测器》文中研究说明ZnO是一种多用途的材料。传统上，ZnO薄膜被广泛应用于声表面波器件，体声波器件、气敏传感器、压敏电阻、透明导电电极等。近年来，ZnO作为宽带半导体材料的的研究越来越受到们的重视。ZnO薄膜的生长温度一般低于700℃，比GaN(生长温度1050℃)要低得多；ZnO薄膜在室温下光致发光和受激辐射有较低的阈值功率和很高的能量转换效率；ZnO有较高的激子复合能(60meV)，激子在室温下仍然不会分解，理论上有可能实现室温下较强的紫外受激发射，制备出较好性能的探测器、LED和LD等光电子器件。 浙江大学硅材料国家重点实验室是国内最早从事ZnO薄膜研究的课题组之一，在叶志镇教授的带领下，我们用反应磁控溅射法制备出高度C轴择优取向的ZnO薄膜，对ZnO薄膜的纳米柱状结构作了深入研究，并在国内首次报道了用磁控溅射方法在硅衬底生长的ZnO薄膜在室温下的荧光发射，对ZnO薄膜的研究处于国内领先水平。 本文较全面了阐述了ZnO薄膜的各种生长技术及其原理，并概括了薄膜研究的最新进展。用直流反应磁控溅射的方法生长了高度C轴择优取向的ZnO薄膜，用X射线衍射(XRD)、透射电镜(TEM)、原子力显微镜(AFM)、扩展电阻仪(SRP)、吸收光谱、Hall测试仪等方法对ZnO薄膜的结构和性能进行了表征。系统地概括了各生长条件如衬底温度、溅射功率、溅射气氛和溅射压强等参数对ZnO薄膜的影响。本文还研究了高温退火对ZnO薄膜的表面形貌、内应力和缺陷的影响，并对其内在的机理进行了探讨。在溅射气氛中引入NH_3，成功地制备了p型的ZnO薄膜和ZnO同质PN结，并探讨了MH_3对薄膜的电学和光学性能的影响。 作为ZnO薄膜在实际应用方面的尝试，我们用PLD方法在硅衬底上生长高质量的ZnO薄膜，在薄膜上制备了MSM光导型紫外探测器，并对探测器的伏安特性和光响应进行了测试。实验发现，金属Al与ZnO能形成很好的欧姆接触，探测器在5V的偏压下有明显的紫外光响应，在紫外光波长的响应度为0.5A/W。
刘大博[2]2012年在《MSM结构ZnO紫外探测器的制备及光电性能研究》文中研究指明采用磁控溅射方法,在石英衬底上制备了光电性能优良的ZnO紫外探测器。通过紫外光电性能测试、扫描电子显微镜(SEM)观察及X射线衍射(XRD)分析,研究了ZnO紫外探测器的光电特性。结果表明:探测器的光电流高出暗电流近3个数量级,紫外波段的光响应高出可见光波段近2个数量级,所制备ZnO紫外探测器达到了高辐射灵敏度和可见盲特性的要求。
邓雷磊[3]2007年在《ZnO薄膜的制备及其特性研究》文中研究说明近年来,宽禁带半导体材料ZnO的研究已经引起人们广泛的关注。ZnO是一种新型的直接宽带隙Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体材料,其室温禁带宽度为3.37 eV,且激子束缚能高达60 meV,比室温热离化能26 meV大很多,因而理论上会在室温下获得高效的紫外激子发光和激光,是制作短波长发光器件以及紫外探测器的理想材料。此外,ZnO具有高熔点(1975℃),高热稳定性及化学稳定性等优点;ZnO单晶薄膜可以在低于500℃的生长温度下获得,比GaN等其他宽禁带半导体材料的制备温度低很多,因此可以大大减少高温制备所产生的缺陷。另外,ZnO原材料资源丰富、价格低廉,无毒无污染,制备工艺简单,因此,ZnO具有很大的潜在商用价值。作为短波长发光器件和紫外探测器的一种全新的候选材料,ZnO已经成为当今半导体材料与器件研究中新的热点。为了实现ZnO在光电器件领域的实际应用,必须外延生长晶体质量良好的薄膜。特别是ZnO薄膜的异质外延,这是非常重要的课题。虽然目前已经外延出高质量的ZnO薄膜,但是基本都是在蓝宝石衬底上,在硅衬底上外延的ZnO薄膜质量不高,因为Si与ZnO晶格失配大。所以在Si上外延高质量结晶的ZnO薄膜是一个需要解决的问题。本论文利用射频磁控溅射技术制备了高度c轴择优取向的ZnO薄膜,并对ZnO薄膜的晶体结构、表面形貌、光学性质和电学性质进行了研究,对ZnO/Si异质结做了初步的研究。主要研究工作和结论如下:1、采用射频反应磁控溅射的方法,在不同衬底上制备了ZnO薄膜。在合适的衬底温度下,不同衬底上面生长的ZnO薄膜都具有c轴的择优取向。ZnO薄膜的c轴择优取向生长是一种自组装生长过程。在单晶Si衬底上面生长时,首先要择优形核。由于(002)面具有最低的表面自由能,因此(002)面择优形核。在非晶衬底上面生长的机理和单晶衬底有些差异。首先会形成一薄层的ZnO非晶层,然后在非晶的ZnO形核中心上形成多晶,随着薄膜厚度的增加,最后变为c轴取向的ZnO薄膜。2、利用射频反应磁控溅射技术在p-Si(111)衬底上面制备ZnO薄膜,发现工艺参数特别是溅射功率和氩氧比以及退火温度对薄膜结构、表面形貌、光学性质和电学性质具有较大的影响。结果表明,在溅射功率为200 W,工作压强为1 Pa,衬底温度为200℃的情况下,氩氧比较高时制备的ZnO薄膜具有更好的c轴取向,薄膜表面颗粒比较均匀,平整,致密,薄膜的结晶性能更好。ZnO薄膜的可见光平均透过率在80%以上,氩氧比对薄膜的透过率影响不大。在氩氧比为1:1时薄膜具有最小的电阻率。而对退火处理的薄膜而言,退火可以提高薄膜的结晶性能,随着退火温度的升高,薄膜具有更好的c轴取向性。特别研究了薄膜内应力与退火温度的关系,结果表明,退火前薄膜沿c轴存在张应力,随着退火温度的升高,薄膜沿c轴张应力逐渐减小。退火温度达到560℃时,薄膜沿c轴应力消除。温度继续升高,薄膜产生沿c轴压应力。随着退火温度的升高,ZnO薄膜的晶粒度增大。经过800℃退火后,ZnO薄膜具有最小的电阻率。3、研究Al与ZnO薄膜的接触特性。ZnO薄膜的耐酸碱腐蚀性较差,用湿化学法会腐蚀ZnO薄膜表面,从而使器件的性能变差。为此,我们利用剥离技术制作了Al与ZnO薄膜的接触电极,I-V测试表明Al与ZnO具有良好的欧姆接触。4、研究了n-ZnO/p-Si异质结的特性。利用射频磁控溅射技术,在p-Si(111)衬底上面制备了Al掺杂的n型ZnO薄膜,然后在ZnO薄膜表面和Si衬底背面分别制作Al电极,构造了n-ZnO/p-Si异质结结构,研究了该异质结的光电特性。结果表明:Al掺杂的ZnO薄膜具有良好的c轴取向性,Al的掺杂没有改变ZnO薄膜的晶体结构,但增大了薄膜的载流子浓度。n-ZnO/p-Si异质结明显存在结的整流特性,但结的理想因子偏高,这是由于串联电阻过大和界面态的影响。并且在光照和无光照的条件下,反向电流有显着区别,光照条件下的反向电流是无光照条件下的100倍,说明该异质结对光照敏感,光谱响应测试发现该异质结在430 nm和700 nm处有光响应峰值。这对今后继续研究ZnO基光电探测器具有一定的指导意义
张银珠[4]2006年在《脉冲激光沉积法生长ZnMgO合金薄膜和Li-N共掺p型ZnO薄膜及紫外探测器的研制》文中研究表明ZnO是一种直接带隙宽禁带Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体材料,其晶体结构、晶格常数和禁带宽度都与GaN非常接近。ZnO最大的优势在于它的激子束缚能很大,约为60meV,是GaN激子束缚能的两倍多,可以在室温或更高温度下实现激子受激发光。因此,ZnO在短波长光电器件领域有着巨大的应用潜力。 本文利用自行设计建立的脉冲激光沉积(PLD)系统,进行了Zn_(1-x)Mg_xO合金薄膜和ZnO/Zn_(1-x)Mg_xO多层异质结构的生长、p型Zn_(1-x)Mg_xO薄膜的初步探索以及p型ZnO薄膜的掺杂研究,并研制了一个硅基ZnO光电导型紫外探测器。研究硅基ZnO/Zn_(1-x)Mg_xO多层异质结构和量子阱结构的结晶质量和发光特性,为ZnO光电器件的研发奠定基础。而Zn_(1-x)Mg_xO薄膜p型转变的成功能为ZnO异质p-n结器件做好材料准备。本文采用一种新的共掺技术——Li-N双受主共掺,成功制备了低电阻率的p-ZnO薄膜。 1.硅基Zn_(1-x)Mg_xO合金薄膜及ZnO/Zn_(1-x)Mg_xO异质结和量子阱结构 利用自制PLD系统在p-Si(100)上生长Zn_(1-x)Mg_xO合金薄膜。从生长参数对薄膜的结构、形貌和光学性能的对比研究中,找到可适用于硅基ZnO/Zn_(1-x)Mg_xO异质结构生长的合金薄膜的优化工艺参数。优化条件下制得的薄膜晶体质量良好,均具有高度c轴择优取向性,其晶体结构与ZnO的一致,表面粗糙度约为1nm,与ZnO的晶格失配度仅为-0.35%。 首次采用PLD技术在Si(100)和ZnO/Si(100)上生长Zn_(1-x)Mg_xO/ZnO/Zn_(1-x)Mg_xO双异质结,得到了具有完全c轴择优取向的晶粒致密的多层异质结构。其室温PL谱中均可以观察到异质结中ZnO层位于～3.3eV的近带边发光,无明显的深能级缺陷发光,表明多层异质结构的结晶质量较高。在ZnO/Si(100)上还尝试生长了ZnO/Zn_(1-x)Mg_xO多量子阱结构,所得的是多层纳米结构。 首次以Li为受主掺杂元素,实现了Zn_(1-x)Mg_xO薄膜的p型转变,电阻率为10.1Ωcm,载流子浓度为2.45x10~(18)cm~(-3),迁移率为0.251cm~2/Vs。这项工作还在继续系统研究中。
申德振, 梅增霞, 梁会力, 杜小龙, 叶建东[5]2014年在《氧化锌基材料、异质结构及光电器件》文中提出Ⅱ-Ⅵ族直接带隙化合物半导体氧化锌(ZnO)的禁带宽度为3.37 eV,室温下激子束缚能高达60 meV,远高于室温热离化能(26 meV),是制造高效率短波长探测、发光和激光器件的理想材料。历经10年的发展,ZnO基半导体的研究在薄膜生长、杂质调控和器件应用等方面的研究获得了巨大的进展。本文主要介绍了以国家"973"项目(2011CB302000)研究团队为主体,在上述方面所取得的研究进展,同时概述国际相关研究,主要包括衬底级ZnO单晶的生长,ZnO薄膜的同质、异质外延,表面/界面工程,异质结电子输运性质、合金能带工程,p型掺杂薄膜的杂质调控,以及基于上述结果的探测、发光和激光器件等的研究进展。迄今为止,该团队已经实现了薄膜同质外延的二维生长、硅衬底上高质量异质外延、基于MgZnO合金薄膜的日盲紫外探测器、可重复的p型掺杂、可连续工作数十小时的同质结紫外发光管以及模式可控的异质结微纳紫外激光器件等重大成果。本文针对这些研究内容中存在的问题和困难加以剖析并探索新的研究途径,期望能对ZnO材料在未来的实际应用起到一定的促进作用。
王登魁[6]2015年在《氧化锌微纳米结构的制备及新型光电器件的研制》文中进行了进一步梳理Zn O是用来制作高效紫外光电器件最具发展潜力的材料,在发光二极管、激光二极管和紫外探测器等领域有广泛的应用。作为重要的直接带隙半导体,其禁带宽度为3.37e V,室温下自由激子束缚能是60me V,远高于Ga N的25me V和Zn S的38me V,也远高于室温热离化能(26me V),使得激子在室温条件下就可以发生复合发光。与其他宽禁带半导体材料相比,Zn O更有利于制作紫外光电器件。并且Zn O具有多种微纳米结构,这些微纳米器件也表现出优异的光电性能。目前,Zn O的研究已取得了一定的进展,但仍存在一些问题亟待解决,比如:异质结发光中心通常在p-Ga N与Zn O界面;带边发光红移;同质结制作困难等。本论文针对Zn O研究中存在的问题,制备了Zn O微纳米结构并制作了微纳米结构的光电器件。开展了如下创新性的工作:1.在ITO电极上采用溶胶凝胶的方法制备了直径为5nm的Zn O量子点,采用Zn O量子点作为发光层,p-Ga N作为空穴注入层,制作了Zn O量子点/p-Ga N异质结发光二极管。利用量子点的陷阱控制的空间电荷限制电流的行为,使发光二极管的发光中心集中在量子点层,得到了纯紫外发光的Zn O发光二极管,发光波长在382nm,半峰宽较窄。与先前报道的器件相比,Zn O量子点发光二极管具有高的发光强度和好的单色性。2.采用化学气相沉积的方法生长了高效绿色发光的Zn O微米线。Zn O微米线与p-Ga N构成的异质结,在p-Ga N端加正向电压时得到波长为395nm的紫外发光,在Zn O端加正向电压时得到发光峰位于450-700nm的橙色发光。与n-Ga N构成的异质结,在Zn O端加正向电压时得到波长为490nm的绿色发光。并分别详细的阐述了各种颜色发光的机理。3.采用氮等离子体处理的方法得到了氮掺杂的Zn O单晶。低温光致发光光谱中观察到受主束缚激子相关的发光,形成了NO受主能级,拉曼散射光谱中发现氧晶格的振动模式发生蓝移,处理后Zn O表面功函数变大,费米能级向价带移动,表明空穴浓度增加。这些结果都证明氮原子已经掺杂到Zn O晶格中。通过构造Zn O基同质结器件,得到了良好的I-V整流特性,表明获得了p型导电的N掺杂Zn O。4.采用磁控溅射和金属离子溅射的方法制备了Ag纳米颗粒修饰的Zn O薄膜紫外探测器。Zn O/Ag纳米颗粒/Zn O夹层结构在385nm到356nm表现出强的吸收增强,Ag纳米颗粒改善了Zn O薄膜的性能。Ag修饰的Zn O薄膜紫外探测器响应度提高了一个数量级,紫外可见抑制比提高了一个多量级。上升和下降时间明显减少。
裴生棣[7]2015年在《基干氧化锌的p-n结紫外探测器》文中研究说明紫外探测器具有体积小、响应快、灵敏度高、成本低等特点,故此,紫外探测器在民用和军用等方面都有非常重要的应用价值,越来越受到人们的普遍重视。由于ZnO半导体具有生长温度低、电子诱生缺陷低、阈值电压低、高光电导特性、化学稳定性和热稳定性高等特性,所以ZnO紫外探测器的研究也随之得到了迅速发展。为了获得高性能的ZnO紫外探测器,研究者们从材料成分、材料尺度、器件结构等不同角度设计器件。本论文从器件结构方面构思,分别设计并研究了垂直p-n结紫外探测器和径向p-n结紫外探测器。具体研究内容包括：第一部分包括采用磁控溅射法制备NiO薄膜和溶胶-凝胶技术制备ZnO薄膜,将两种半导体材料结合在一起,构制出新型NiO/ZnO垂直p-n结薄膜紫外探测器。探究垂直p-n结紫外探测器的工作原理,对器件电学性能进行测试得知,相比ZnO薄膜器件,该器件暗电流降低了一个量级,开关电流比随之增大了一个量级,且响应速度也有所提高。第二部分包括利用化学气相沉积法和电化学沉积法制备出ZnO/CdS/CdTe核壳结构纳米线阵列。利用该结构设计出ZnO/CdS/CdTe核壳结构纳米线阵列径向p-n结紫外探测器,并阐述此结构器件的工作原理。对器件的电学性能进行测试表明,器件的响应速度为百毫秒量级。
孙梦维[8]2016年在《基于纳米压印ZnO光电探测器的制备及性能研究》文中研究说明氧化锌(ZnO)是宽禁带半导体材料,在室温下其禁带宽度为3.37eV,光子能量对应紫外波段,是制备高性能紫外光电探测器的优质材料。在常规的平面ZnO薄膜光电探测器中,ZnO的光吸收能力有限,近年来很多工作围绕着提高ZnO薄膜光吸收能力展开,通过调控ZnO纳米结构(纳米线、纳米棒),增加ZnO的比表面积,提高ZnO光吸收能力。然而,ZnO纳米线、纳米棒的制备工艺复杂,不适用于大面积ZnO光电探测器的生产。本文采用了适合大面积生产的直接热压印的方法制备了叁维结构ZnO薄膜；研究了叁维纳米结构的陷光作用,提高了光电探测器的光吸收性能；此外,通过掺入金纳米颗粒,将ZnO光响应区间扩宽到了可见光区。首先,通过溶胶-凝胶法制备ZnO前驱体溶胶,将前驱体溶胶旋涂至Si02/Si基底得到ZnO溶胶薄膜。进一步通过纳米压印工艺,在ZnO溶胶薄膜表面构建叁维纳米阵列结构,利用叁维纳米结构的陷光作用,将ZnO薄膜光电探测器的光电流提高了15倍。其次,通过溶胶-凝胶法制备出粒径均一、分散度较好的金纳米颗粒溶胶。利用金纳米颗粒表面自由电子的等离子共振作用将ZnO的光电响应波段扩宽到可见光区,并且与纳米压印工艺相结合制备出叁维纳米结构的ZnO-Au薄膜光电探测器,其光电流是平面ZnO光电探测器的26倍。最后,探讨了叁维结构的几何尺寸对器件性能的影响,制备了几种不同宽深比的ZnO光电探测器,探索出光电转化率最优的ZnO纳米结构的宽深比为866nm/40nm,对此纳米结构进一步掺杂金纳米颗粒,制备了ZnO-Au薄膜光电探测器,其光电流是平面ZnO光电探测器光电流的208倍。
马向丽[9]2011年在《ZnO薄膜及其光电器件的室温制备及性能研究》文中研究指明本文采用脉冲激光沉积法,实现了室温条件下(25℃)在玻璃和柔性PC(聚碳酸酯)衬底上生长高质量ZnO薄膜,并对所得ZnO薄膜的结构、光电学性能以及化学特征进行了全面表征,重点分析了氧压变化对薄膜光电等性能的影响。实验结果表明,在10-30Pa的氧压范围中得到的ZnO薄膜都具有较好的结晶质量。对于玻璃衬底,较高的氧压气氛更适宜高质量ZnO薄膜的生长,30Pa下生长的ZnO薄膜表面形貌更平整、本征电子浓度低,薄膜电阻率达387Ωcm。对于柔性PC衬底则相反,随压强从30Pa至10Pa降低,薄膜近带边发光峰明显变强,电阻率升高至3.6×104Ωcm。10Pa下,所得ZnO薄膜表现出更好的光电学性能。在此基础上,我们采用脉冲激光沉积、磁控溅射和电子束蒸发等工艺,在室温下制备了ZnO基TFT及UVD光电器件,并对器件性能进行了分析及表征。对于柔性衬底顶栅结构ZnO-TFT,其漏电流相对较大。对于玻璃衬底底栅结构ZnO-TFT,器件为n沟道增强工作模式,具有很好的输出曲线饱和特性,阈值电压约为20V,饱和场效应迁移率为0.36cm2V-1s-1。随VGS从OV增大到40V,TFT电流经历从关态逐渐到开态的过程,最大开关态电流比为Ion/Ioff=1.9×103,亚阈值摆幅S为10.4V/decade。此外,我们还制备了光导型叉指电极结构柔性紫外探测器,5V偏压下,暗电流仅为300nA。探测器响应峰值为370nm,紫外可见光抑制比大于3个数量级。
张兴来[10]2010年在《ZnO薄膜的制备和紫外探测器的研究》文中研究表明ZnO是一种新型的直接带隙宽禁带化合物半导体材料,由于在室温下禁带宽度约3.37eV和其远高于其它宽禁带半导体材料的激子束缚能(60meV)受到了广泛的关注。ZnO具有良好的化学稳定性和热稳定性,可以实现室温紫外激光发射,是制作紫外探测器以及短波长激光器的理想材料,被认为是有望取代GaN的新一代光电子材料。它在太阳能电池、压电器件、压敏器件、气敏元件、液晶显示等领域都已有了很好的应用。本论文阐述了ZnO薄膜的各种生长技术及原理,在石英衬底上采用射频反应磁控溅射的方法沉积了高度C轴择优取向的氧化锌薄膜,并用X射线衍射(XRD)、透射光谱等方法对不同氧氩比、不同溅射电压生长出的ZnO薄膜的结构和性能进行了表征。在此基础上初步设计了Al/ZnO/Al型及p-NiO/n-ZnO型两种探测器结构,并对探测器的一些参数进行了测试,最后给出实验结论。
参考文献：
[1]. ZnO薄膜和ZnO紫外探测器[D]. 陈汉鸿. 浙江大学. 2002
[2]. MSM结构ZnO紫外探测器的制备及光电性能研究[J]. 刘大博. 航空材料学报. 2012
[3]. ZnO薄膜的制备及其特性研究[D]. 邓雷磊. 厦门大学. 2007
[4]. 脉冲激光沉积法生长ZnMgO合金薄膜和Li-N共掺p型ZnO薄膜及紫外探测器的研制[D]. 张银珠. 浙江大学. 2006
[5]. 氧化锌基材料、异质结构及光电器件[J]. 申德振, 梅增霞, 梁会力, 杜小龙, 叶建东. 发光学报. 2014
[6]. 氧化锌微纳米结构的制备及新型光电器件的研制[D]. 王登魁. 中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所). 2015
[7]. 基干氧化锌的p-n结紫外探测器[D]. 裴生棣. 兰州大学. 2015
[8]. 基于纳米压印ZnO光电探测器的制备及性能研究[D]. 孙梦维. 南京理工大学. 2016
[9]. ZnO薄膜及其光电器件的室温制备及性能研究[D]. 马向丽. 浙江大学. 2011
[10]. ZnO薄膜的制备和紫外探测器的研究[D]. 张兴来. 长春理工大学. 2010
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