ZnO纳米结构的生长及其光、电特性的研究

摘要

ZnO纳米结构以其优秀的电学、光学等物理性质、广泛的应用以及易于合成等特点而成为国际上半导体纳米材料研究领域的热点之一。尽管目前ZnO纳米结构的制备和生长已取得了很大的进步,但在纳米结构可控性生长方面可以说还是处于探索阶段。根据目前纳米结构已向可控合成以及纳米技术已向器件集成的研究趋势,本论文以水热法合成的ZnO纳米结构为主要研究对象,利用ZnO籽晶层来对其上生长的ZnO纳米结构进行调控,并在p-Si和p-GaN衬底上制备了异质结,对其电学和光学特性进行了深入研究,具体包括以下三个部分。
　　第一部分研究了ZnO纳米棒阵列的生长调控及表征。首先研究了对水热法ZnO纳米结构生长方向的调控,实验结果表明,在晶格常数与ZnO相近的GaN衬底上或通过溅射、Sol-gel ZnO籽晶层的方式,可以调控ZnO纳米结构的生长方向,在垂直衬底方向得到排列整齐的ZnO纳米棒阵列。首次研究了离子束溅射的ZnO籽晶层前期处理条件如退火温度、厚度对其上生长的ZnO纳米结构的影响。研究表明籽晶层结晶度越高,其上ZnO纳米棒的生长速度越快;籽晶层厚度越大,其上纳米棒的密度越大,且在≤1nm的超薄离子束ZnO籽晶层上得到排列整齐的ZnO纳米棒阵列。XPS测试结果表明,所用水热法生长的ZnO纳米结构的O和Zn比略小于1,为富锌缺氧结构。PL测试结果表明,水热法生长的ZnO纳米结构的光致发光特性与目前报道的大部分ZnO薄膜制备方法的结果具有可比性,且排列整齐的ZnO纳米棒的PL性能要优于随机排列的纳米棒。另外,采用一种溶液法制备了ZnO籽晶层以及引入金属Cr的辅助,还可实现对ZnO纳米棒阵列横向生长的调控。
　　第二部分研究了n-ZnO纳米棒/p-Si异质结结构的电学传输特性。研究表明,在正向偏压下,所制备的n-ZnO纳米棒/p-Si异质结结构的电流——电压传输特性可分为欧姆线形区、指数关系区以及平方关系电流区,并和Lampert和Mark所提出的空间电荷限制电流的模型相符合。进一步研究表明后期退火处理对n-ZnO纳米棒/p-Si结构的电学特性具有改善作用,根据PL和XPS结果发现,后期退火处理可以有效地减小吸附在纳米棒表面的O元素,不仅有利于改善光致发光特性,还可以改善载流子的注入效率。另外,研究还发现所引入的离子束籽晶层越厚,对应的n-ZnO纳米棒/p-Si结构的缺陷填充电压(VTFL)越高。最后变温测试(300K-450K)表明所制备的异质结具有较好的热稳定性,以及单根ZnO纳米棒的电学特性研究发现,所生长的ZnO纳米棒为一n型半导体。
　　第三部分研究了n-ZnO纳米棒/p-GaN异质结的电致发光(EL)特性。EL测试结果表明,所制备的异质结结构仅在反向偏压下有光出射,电致发光谱以550nm为中心的黄光带为主,进一步分析认为p-GaN衬底有可能是该结构反偏下发光的原因。在GaN上制备ZnO籽晶层,实验结果表明,可以有效地改善p-GaN上所生长的ZnO纳米结构。离子束溅射ZnO籽晶层上所生长的ZnO纳米结构形成一层致密的膜。在Sol-gel制备的籽晶层上的n-ZnO纳米棒/p-GaN结构中观察到与ZnO有关的600nm为中心的EL峰。这些结果表明,不同方法生长的籽晶层对n-ZnO纳米棒/p-GaN结构的电致发光特性具有一定的影响,这对研究基于ZnO纳米结构的LED有重要意义。