六棱管状ZnO薄膜的电学特性研究

摘要

ZnO是一种重要的宽禁带半导体材料，具有优异的光学、光电和电子输运等性质，在发光器件、激光器、压电传感器、气敏传感器、光电导、光波导、透明导电薄膜、表面及体声学波器件以及声光器件等方面有广泛的应用。而对ZnO中缺陷行为及其掺杂材料的载流子输运特性的研究将关系到实用型器件的实现，是今后研究的一个热点。本文对以水热法制备的六棱管状ZnO薄膜中的电子浓度分布特性以及它的一些基本电学特性进行了研究，其结论对进一步研究这种ZnO薄膜的电学和光学性质有一定的参考价值。
　　我们首先对这种ZnO薄膜进行了高频C-V测量，发现其中可能存在有导带能级的变化，并利用一个等效势阱模型对薄膜的C-V特性进行了理论描述和公式推导。通过模拟，得到了和实验曲线比较吻合的理论C-V曲线，验证了模型的合理性。然后从实验C-V曲线中提取了ZnO薄膜中的载流子浓度分布曲线，观察到ZnO中缺陷分布比较均匀，但是由于势阱的限制作用在一定区域形成了电子的积累。
　　接着，基于建立的等效势阱模型，采用自恰求解泊松方程和薛定谔方程(SCPS)的方法对势阱中的二维电子气浓度分布进行了计算。在求解的过程中，使用了有限差分法离散薛定谔方程和泊松方程，并在Matlab平台上编写了程序以实现自恰计算。虽然最后得到的电子浓度分布与由C-V法得到的结果有所差异，但是两种方法得到的电荷密度基本一致，进一步间接地证明我们所建立的模型是较为合理的。此外，还计算发现等效势阱参数的变化对其中电子浓度分布及能级分裂有着不同程度的影响。
　　最后，我们对ZnO薄膜中的I-V特性进行了测量与分析，发现其中的主要电流成分是ZnO/SiO2界面的电子隧穿电流。在考虑界面量子化效应的情况下，利用SCPS方法，计算了在外加电场下，ZnO/SiO2界面的电子分布、透射系数以及隧穿电流密度，并同经典F-N公式的结果进行了比较。通过对实验曲线进行模拟，指出在外加电场较小时，由于氧化层中陷阱电荷对隧穿电流有较大的影响，导致计算曲线与实验结果有一定的偏差。

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第一章 引 言

1.1 ZnO的基本性质

1.2 ZnO材料的应用

1.3 ZnO异质结的研究现状

1.4 当前研究中的问题和发展趋势

1.5 本课题的意义和主要工作

1.6 本章小结

第二章 低维系统中的电荷特性及研究方法

2.1 三维系统中的电荷分布[28,29]

2.2 准二维系统中的电荷分布[30]

2.3 自恰求解

2.4 C-V法提取能带不连续值

2.5 薄氧化层MOS结构的隧穿电流

2.6 本章小结

第三章 管状ZnO薄膜的等效结构模型及电容特性分析

3.1 六棱微管氧化锌薄膜

3.2 C-V测量

3.3 等效模型的建立

3.4 电容特性模拟

3.5 载流子浓度分布

3.6 本章小结

第四章 管状ZnO薄膜中电荷分布特性的理论研究

4.1 SCPS法的计算过程

4.2 计算方法

4.3 计算结果与讨论

4.4 本章小结

第五章 ZnO/SiO2界面隧穿电流的计算与分析

5.1 样品中的电流组分

5.2 ZnO/SiO2界面的能带结构

5.3 ZnO界面电荷浓度分布和电子能级

5.4 透射系数

5.5 隧穿电流密度

5.6 本章小结

第六章 结 论

致谢

参考文献

攻读硕士期间的研究成果