準(zhǔn)一維硒化鋅納米材料的可控?fù)诫s及其納米光電子器件的研究.pdf_第1頁(yè)
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1、準(zhǔn)一維納米半導(dǎo)體材料具有優(yōu)異的電學(xué)和光學(xué)性質(zhì),引起了人們廣泛的研究興趣。在寬禁帶半導(dǎo)體材料中,Ⅱ-Ⅵ族的硒化鋅(ZnSe)尤為引人注目。1991年世界上第一支藍(lán)綠激光二極管即以ZnSe為基礎(chǔ)材料制備而成,比GaN激光二極管早了5年。ZnSe為直接帶隙半導(dǎo)體,室溫禁帶寬度為2.7eV(對(duì)應(yīng)激發(fā)波長(zhǎng)在460nm左右),在發(fā)光、光伏以及光電探測(cè)器件等光電子器件中應(yīng)用前景廣泛。因此準(zhǔn)一維ZnSe納米材料及其納米光電子器件具有重要的研究意義。但本

2、征準(zhǔn)一維ZnSe納米材料電阻率高,近乎絕緣難以應(yīng)用。對(duì)準(zhǔn)一維ZnSe納米材料的可控?fù)诫s及納米器件的研究亟待展開(kāi)。
  本論文對(duì)于準(zhǔn)一維ZnSe納米材料的可控?fù)诫s及納米光電子器件進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。通過(guò)在熱蒸發(fā)過(guò)程中引入Cl和N元素,實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)一維硒化鋅材料的n、p型可控?fù)诫s,對(duì)合成的摻雜納米結(jié)構(gòu)的形貌、物相以及成分等微結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征。并基于摻雜準(zhǔn)一維ZnSe納米材料構(gòu)筑了場(chǎng)效應(yīng)晶體管、pn結(jié)、肖特基二極管以及結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管等納米器件

3、。研究了摻雜水平以及器件結(jié)構(gòu)的改進(jìn)對(duì)納米材料的電學(xué)和光學(xué)的影響,為準(zhǔn)一維ZnSe納米材料在新型光電子器件中的應(yīng)用打下基礎(chǔ)。具體研究成果如下:
  1、以ZnCl2粉為摻雜源,ZnSe粉為生長(zhǎng)源,利用熱蒸發(fā)的方法,在鍍有Au催化劑的硅片上生長(zhǎng)得到了Cl摻雜ZnSe(ZnSe:Cl)納米帶,并采用掃描電子顯微鏡(SEM)、高分辨透射電子顯微鏡(HRTEM)、X射線衍射(XRD)等手段對(duì)納米帶微結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征。結(jié)果顯示ZnSe:Cl納米

4、帶為單晶纖鋅礦結(jié)構(gòu),沿[120]方向生長(zhǎng),形貌均勻,表面無(wú)明顯顆粒,寬度在500nm-3μm之間,長(zhǎng)度在30-100μm。通過(guò)構(gòu)筑底柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管,對(duì)ZnSe:Cl納米帶的電學(xué)和光電性質(zhì)進(jìn)行了表征。經(jīng)計(jì)算得出摻雜后的ZnSe納米帶遷移率和載流子濃度分別可在0.4cm2V-1s-1~17.3cm2V-1s-1和1.8×1016~6.9×1018cm-3范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。ZnSe:Cl納米帶對(duì)不同波長(zhǎng)的入射光的光譜測(cè)試分析表明隨著入射光波長(zhǎng)的減小

5、電導(dǎo)有明顯提高,在460nm左右達(dá)到最大值。隨著摻雜濃度的提高其光譜響應(yīng)度和增益可達(dá)到7.9×105AW-1和2.1×106。通過(guò)在空氣中對(duì)ZnSe:Cl納米帶進(jìn)行退火工藝并對(duì)其進(jìn)行光學(xué)測(cè)試,光譜響應(yīng)測(cè)試結(jié)果表明ZnSe:Cl納米帶的波長(zhǎng)吸收范圍變寬,這是由于空氣中退火在ZnSe:Cl納米帶表面形成一層ZnO鞘層,增強(qiáng)了其紫外光譜吸收能力。對(duì)不同摻雜濃度的ZnSe納米帶的時(shí)間響應(yīng)譜分析顯示:沒(méi)有摻雜的ZnSe納米帶的光電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于摻雜后

6、的任意樣品,光電流隨著摻雜濃度的增加而增加;摻雜后的ZnSe納米帶具有較長(zhǎng)的響應(yīng)時(shí)間,這是由于Cl元素的摻雜產(chǎn)生更多的載流子俘獲中心的原因。此外,嘗試了柔性襯底納米場(chǎng)效應(yīng)晶體管,研究發(fā)現(xiàn)ZnSe:Cl納米帶具有很好的柔韌性。在一定的彎曲范圍內(nèi),柔性襯底上的納米場(chǎng)效應(yīng)器件依然保持良好的電學(xué)和光學(xué)性能。這為納米材料在觸摸屏和各種柔性器件中的應(yīng)用提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù)。
  2、采用熱蒸發(fā)方法,以NH3為摻雜源合成了p型ZnSe納米線。合成的納

7、米線形貌均勻,直徑在100nm-500nm,長(zhǎng)度可達(dá)幾十微米。XRD及高分辨結(jié)果顯示ZnSe:N納米線為立方晶系閃鋅礦結(jié)構(gòu)。在此基礎(chǔ)上基于p型ZnSe納米線制備了底柵場(chǎng)效應(yīng)器件,對(duì)N摻雜ZnSe納米線的電學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了表征。摻雜后的ZnSe納米線具有明顯的p型電輸運(yùn)特性。另外p型ZnSe:N納米線與n型硅基地組成的納米異質(zhì)結(jié)具有明顯的二極管整流特性,開(kāi)關(guān)比可達(dá)到106。其在模擬光源下開(kāi)啟電壓可達(dá)到0.45V,短路電流達(dá)到2.6nA,轉(zhuǎn)化效

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