ZnO:ZnS薄膜及其异质结紫外光电特性的研究

摘要

ZnO作为GaN后的第三代半导体材料，由于其宽带隙、成本低、易于制备，使其在光电子应用非常广泛，例如 LED，激光二极管，紫外光探测器。尽管在紫外探测方面取得了一些列研究成果，但由于其本身的缺陷导致的慢光电响应仍是一个难题。但ZnO天然为n型半导体材料，为了实现ZnO在光电领域中的广泛应用，必须实现ZnO电导特性的控制和基于ZnO的能带工程，以满足制备高质量异质结、超晶格的要求。这就涉及到ZnO的掺杂改性，以形成n型和p型半导体或实现基于ZnO合金材料的能带调节。
　　为了更好的利用 ZnO，包括 Mg及一些过渡元素的掺杂已被人们广泛研究。但对于阴离子的掺杂却很少研究，尤其是Ⅶ族元素。S掺杂ZnO薄膜也许会有其他一些光学和电学性质，因为S具有较大的电负性以及S和O原子半径相差比较大。ZnS也为纤锌矿结构，晶格常数与ZnO相差不大，并且其能带结构与ZnO能带结构符合异质结要求，所以，通过掺杂和形成异质结来改善ZnO的紫外光电性能是一个很有意义的工作。
　　本文具体研究工作如下：
　　(1)概述了ZnO的研究进展、基本性质、能带结构、形态及缺陷等。
　　(2)运用Material Studio5.5下的castep计算模块，对本征ZnO，S掺杂ZnO体系的能带结构、态密度、掺杂杂质的形成能和浓度进行了计算和分析。结果表明S更倾向于替位O掺杂，且随S掺杂浓度薄膜带隙可调。S掺杂会在导带底引入潜能级，使掺杂薄膜载流子浓度提高。
　　(3)运用磁控溅射法制备了不同S掺杂量的ZnO薄膜，对表征结果进行简要分析后，着重研究了薄膜的紫外光电导性能，在紫外光功率为3500μw/cm2的光作用下，其灵敏度约为4，响应时间小于3s。结果表明在一定量 S掺杂浓度下，掺杂薄膜具有良好的光电导性能，透过率在可见光范围高于80％，有强烈的吸收边，载流子浓度比没掺杂的高出三个数量级左右。
　　(4)查阅文献，论证了ZnO/ZnS异质结结构，并用磁控溅射设备制备了该结构，结果表明该结构拥有良好的开光特性，但开启电压较小，为2V左右，样品紫外光响应特性明显，反向偏压下灵敏度约为10，响应时间再2.5s左右，具有应用潜力。

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第一章 ZnO概述

1.1 引言

1.2 ZnO基本性质

1.3 ZnO能带结构

1.4 ZnO形态

1.5 ZnO的缺陷

1.6 ZnO紫外光电应用

1.7 本文的主要工作

第二章 ZnO薄膜的制备及表征

2.1 ZnO薄膜制备方法

2.2 ZnO 薄膜的表征

第三章 ZnO掺S薄膜第一性原理的计算

3.1 第一性原理的计算方法

3.2 计算结果及分析

3.3 本章小结

第四章 ZnO:ZnS薄膜的制备和相关性能测试

4.1 实验设备及实验过程

4.2 实验结果与讨论

4.3 退火对薄膜紫外光电性能影响

4.4 本章小结

第五章 ZnO/ZnS异质结制备

5.1 异质结模型分析

5.2 ZnO/ZnS异质结制作参数

5.3 异质结表征

5.4 本章小结

第六章 结论与展望

致谢

参考文献

攻硕期间取得的研究成果