准一维硒化锌纳米材料的可控掺杂及其纳米光电子器件的研究

摘要

准一维纳米半导体材料具有优异的电学和光学性质，引起了人们广泛的研究兴趣。在宽禁带半导体材料中，Ⅱ-Ⅵ族的硒化锌(ZnSe)尤为引人注目。1991年世界上第一支蓝绿激光二极管即以ZnSe为基础材料制备而成，比GaN激光二极管早了5年。ZnSe为直接带隙半导体，室温禁带宽度为2.7eV(对应激发波长在460nm左右)，在发光、光伏以及光电探测器件等光电子器件中应用前景广泛。因此准一维ZnSe纳米材料及其纳米光电子器件具有重要的研究意义。但本征准一维ZnSe纳米材料电阻率高，近乎绝缘难以应用。对准一维ZnSe纳米材料的可控掺杂及纳米器件的研究亟待展开。　　本论文对于准一维ZnSe纳米材料的可控掺杂及纳米光电子器件进行了系统的研究。通过在热蒸发过程中引入Cl和N元素，实现了准一维硒化锌材料的n、p型可控掺杂，对合成的掺杂纳米结构的形貌、物相以及成分等微结构进行了表征。并基于掺杂准一维ZnSe纳米材料构筑了场效应晶体管、pn结、肖特基二极管以及结型场效应晶体管等纳米器件。研究了掺杂水平以及器件结构的改进对纳米材料的电学和光学的影响，为准一维ZnSe纳米材料在新型光电子器件中的应用打下基础。具体研究成果如下：　　1、以ZnCl2粉为掺杂源，ZnSe粉为生长源，利用热蒸发的方法，在镀有Au催化剂的硅片上生长得到了Cl掺杂ZnSe(ZnSe：Cl)纳米带，并采用扫描电子显微镜(SEM)、高分辨透射电子显微镜(HRTEM)、X射线衍射(XRD)等手段对纳米带微结构进行了表征。结果显示ZnSe：Cl纳米带为单晶纤锌矿结构，沿[120]方向生长，形貌均匀，表面无明显颗粒，宽度在500nm-3μm之间，长度在30-100μm。通过构筑底栅场效应晶体管，对ZnSe：Cl纳米带的电学和光电性质进行了表征。经计算得出掺杂后的ZnSe纳米带迁移率和载流子浓度分别可在0.4cm2V-1s-1～17.3cm2V-1s-1和1.8×1016～6.9×1018cm-3范围内调节。ZnSe：Cl纳米带对不同波长的入射光的光谱测试分析表明随着入射光波长的减小电导有明显提高，在460nm左右达到最大值。随着掺杂浓度的提高其光谱响应度和增益可达到7.9×105AW-1和2.1×106。通过在空气中对ZnSe：Cl纳米带进行退火工艺并对其进行光学测试，光谱响应测试结果表明ZnSe：Cl纳米带的波长吸收范围变宽，这是由于空气中退火在ZnSe：Cl纳米带表面形成一层ZnO鞘层，增强了其紫外光谱吸收能力。对不同掺杂浓度的ZnSe纳米带的时间响应谱分析显示：没有掺杂的ZnSe纳米带的光电流远远低于掺杂后的任意样品，光电流随着掺杂浓度的增加而增加；掺杂后的ZnSe纳米带具有较长的响应时间，这是由于Cl元素的掺杂产生更多的载流子俘获中心的原因。此外，尝试了柔性衬底纳米场效应晶体管，研究发现ZnSe：Cl纳米带具有很好的柔韧性。在一定的弯曲范围内，柔性衬底上的纳米场效应器件依然保持良好的电学和光学性能。这为纳米材料在触摸屏和各种柔性器件中的应用提供了实验依据。　　2、采用热蒸发方法，以NH3为掺杂源合成了p型ZnSe纳米线。合成的纳米线形貌均匀，直径在100nm-500nm，长度可达几十微米。XRD及高分辨结果显示ZnSe：N纳米线为立方晶系闪锌矿结构。在此基础上基于p型ZnSe纳米线制备了底栅场效应器件，对N掺杂ZnSe纳米线的电学性质进行了表征。掺杂后的ZnSe纳米线具有明显的p型电输运特性。另外p型ZnSe：N纳米线与n型硅基地组成的纳米异质结具有明显的二极管整流特性，开关比可达到106。其在模拟光源下开启电压可达到0.45V，短路电流达到2.6nA，转化效率为1.8％，有望在太阳能电池方面得到应用。此外，同底栅场效应晶体管相比，基于该异质结的结型场效应晶体管性能得到有效提高：具有较低的开启电压、更接近理论值的亚阈值摆幅、较高的开关比以及跨导等。而且研究显示p型ZnSe纳米线与金属Al构成的肖特基二极管有明显的回滞现象即存储特性，并能保持较长时间(104s)，有望应用于纳米存储器。

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第一章 绪 言

1.1 半导体纳米技术的历史与发展

1.2 半导体纳米材料的合成

1.3 Ⅱ-Ⅵ族半导体纳米材料的掺杂

1.4 半导体纳米材料的应用

1.4.1 纳米场效应器件

1.4.2 纳米传感器

1.4.3 纳米光电探测器

1.5 课题研究背景与内容

第二章 n型ZnSe纳米带的合成与表征

2.1 合成所需要的药品和仪器设备

2.1.1 合成所需的药品

2.1.2 合成所需要的仪器设备

2.2 n型ZnSe纳米带的合成

2.3 纳米材料的表征方法

2.3.1 X射线衍射分析

2.3.2 透射电子显微镜

2.3.3 扫描电子显微镜

2.3.4 电子能谱分析

2.3.6 光谱分析

2.4 n型ZnSe纳米带微结构表征

2.5 本章小结

第三章 n型ZnSe纳米带的器件制备与表征

3.1 纳米器件的制备工艺

3.2 n型ZnSe纳米带的场效应器件制备

3.3 n型ZnSe纳米场效应器件性能的研究

3.3.1 掺杂浓度对电学信号的影响

3.3.2 掺杂浓度对场效应的影响

3.4 n型ZnSe纳米光电探测器的研究

3.4.1 n型ZnSe纳米光电探测器的制备与表征

3.4.2 掺杂对ZnSe纳米光电探测器的影响

3.5 柔性衬底上的光电探测器的研究

3.6 本章小结

第四章 p型ZnSe纳米线的合成及表征

4.1 p型ZnSe：N纳米线的合成

4.2 p型ZnSe：N纳米线的表征

4.3 本章小结

第五章 基于p型ZnSe：N纳米线的场效应器件、异质结以及肖特基结的制备与应用

5.1 p型ZnSe：N纳米线底栅场效应器件的制备

5.2 p型ZnSe：N纳米线场效应器件的表征

5.3 基于p型ZnSe：N纳米线的pn结、肖特基结及纳米器件应用

5.3.1 p型ZnSe与n型Si的异质结的制备与表征

5.3.2 p型ZnSe纳米线光电应用

5.3.3 基于p型ZnSe：N纳米线的结型场效应晶体管(JFET)

5.3.4 基于p型ZnSe：N纳米线的肖特基结的制备与肖特基存储

5.4 本章总结

第六章 总结

参考文献

攻读硕士期间论文发表情况