ZnO微管材料及光电性能研究

摘要

ZnO是一种重要的宽禁带隙(Eg=3.37eV)半导体材料,它的激子束缚能高达60meV。因此,氧化锌材料在紫外光电器件方面有巨大的应用潜力。近年来在短波长发光器件、光探测器件以及抗辐射、高频和大功率电子器件方面的发展十分迅速。目前,有关氧化锌研究部分主要集中在氧化锌的紫外激光发射和可见发光机制方面以及紫外探测性能方面。本文中我们首先利用水热法在硅衬底上生长出ZnO微管,并以此为有源区利用平面磁控溅射技术分别沉积得到Ag、Au叉指状电极,从而制作了金/ZnO/金肖特基势垒结紫外探测器原型器件。在此基础上,对金/ZnO微管肖特基接触特性以及紫外探测性能进行了研究。通过I-V系统、XPS分析测试计算出肖特基有效势垒高度,证实了大量表面态的存在导致费米能级被钉扎在导带下0.35eV处。并对该紫外光探测器的暗电流和365nm波长光照下的光电流、光响应和量子效率进行了测试。测试结果表明:Ag/n-ZnO/Ag紫外探测器有明显的光响应特性和较高的量子效率。其次,研究了热处理工艺对ZnO微管材料结构和发光特性的影响。采用正交设计方法对热处理工艺进行了优化,得出温度是影响其结构特性的最主要因素。在400℃的应力松弛温度下,ZnO微管的结晶性能较优。然后研究ZnO微管在不同热处理温度下的光致发光。我们详细地讨论了退火温度对紫外光发射的影响,提出除了自由激子的发光外,还有来源于激子激子相互非碰撞产生的P带发光,并对可见发光机制进行了研究。

目录

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 研究动态

1.3 本论文研究内容

第二章 ZnO 材料的表征及物理性能分析

2.1 表征手段

2.1.1 X 射线衍射谱

2.1.2 X射线光电子能谱(XPS)

2.1.3 拉曼光谱

2.1.4 微区光致发光谱

2.2 ZnO 微管的结构分析及表征

2.2.1 样品的表面形貌

2.2.2 ZnO 微管的晶体学分析

2.2.3 ZnO 微管的表面性质

2.2.4 ZnO 微管的拉曼光谱分析

2.2.5 ZnO 微管的光致发光

第三章 ZnO 微管紫外探测性能的研究

3.1 探测器原理

3.1.1 光生伏特效应

3.1.2 肖特基势垒

3.1.3 表面态

3.1.4 半导体的光吸收

3.1.5 量子效率

3.1.6 光谱响应

3.2 ZnO 微管紫外探测器件的制备

3.3 ZnO 微管肖特基接触特性

3.4 ZnO 微管紫外探测特性

第四章 ZnO 微管材料的表面改性

4.1 正交实验

4.2 热处理对ZnO 微管结晶性能的影响

4.2.1 XRD 分析

4.2.2 XPS 研究

第五章 ZnO 微管发光性质研究

5.1 半导体光学性质简介

5.1.1 本征发光

5.1.2 非本征发光

5.2 体材料ZnO 光学性质

5.2.1 吸收和反射

5.2.2 光发射

5.3 ZnO 微管的光致发光

5.3.1 近带边发射

5.3.2 深能级发射

5.3.3 ZnO 微管的绿光发射机制

第六章 结论

致谢

参考文献