ZnO基紫外光電探測材料研究.pdf

1、ZnO作為II-VI族直接寬禁帶半導(dǎo)體材料，在室溫下的禁帶寬度約為3.37eV，對應(yīng)紫外波段的光子能量，且ZnO具有較高的化學(xué)和熱穩(wěn)定性，較強的抗輻射損傷能力，來源豐富，電子誘生缺陷較低等特點，適用于制備高性能的紫外探測器。而ZnO在摻雜后形成的合金可調(diào)節(jié)其禁帶寬度，并與ZnO的晶格失配度及熱膨脹系數(shù)差別較小，可構(gòu)成量子阱或超晶格結(jié)構(gòu)被廣泛地應(yīng)用于光電器件中，提高光電性能，所以帶隙工程的開展有利于推進實用的高性能的ZnO基光電器件的開發(fā)

2、。尤其是對于ZnO基紫外探測器件，ZnO基三元合金具有可調(diào)控其探測波段到日盲區(qū)的特點，在此基礎(chǔ)上所實現(xiàn)的紫外探測器在軍事和民用領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用。
　　基于此，本文采用摻雜的方式調(diào)制ZnO的禁帶寬度，使ZnO基三元合金材料的光學(xué)禁帶寬度達到4.4eV以上，獲得可用于日盲紫外光波段探測的ZnO基光電探測器；同時，通過控制摻雜技術(shù)開發(fā)ZnO基異質(zhì)復(fù)合結(jié)構(gòu)，可應(yīng)用于高性能的紫外光電發(fā)射探測器件。論文的主要內(nèi)容和創(chuàng)新性結(jié)果如下：
　　

3、1.采用溶膠—凝膠方法制備了Mg、Cd、Al摻雜的ZnO基三元合金薄膜，并對其微結(jié)構(gòu)和光電性能進行研究，分析其摻雜效率和光學(xué)禁帶調(diào)制效應(yīng)，獲得摻雜對 ZnO薄膜禁帶寬度調(diào)制的規(guī)律，并從不同元素?fù)诫s引起Zn3d電子結(jié)合能變化的角度探討了其禁帶調(diào)制的機理。
　　2.采用射頻磁控濺射法制備AlxZn1-xO（AZO）合金薄膜，研究不同摻Al濃度對其微結(jié)構(gòu)和光電性質(zhì)的影響規(guī)律，研究表明：Al濃度增大到20at％會導(dǎo)致ZnO纖鋅礦結(jié)構(gòu)的消失

4、，表明摻Al的固溶度在20at%以內(nèi)，而當(dāng)摻Al濃度達到30at%則出現(xiàn)新的晶相；且隨摻Al濃度增加，薄膜中晶粒細(xì)化，電阻率大幅上升；通過改變Al組分可較大地展寬光學(xué)帶隙，在Al濃度為30at%時帶隙被展寬至4.43eV。
　　3．探討氧氣氛對AZO合金薄膜導(dǎo)電性的影響，并通過對其微結(jié)構(gòu)和光電特性的研究發(fā)現(xiàn)：濺射過程中通入少量氧氣有利于獲得結(jié)晶質(zhì)量較好的c軸擇優(yōu)取向薄膜；而純氬氣氛下濺射的薄膜具有很低的電阻率，拉曼測試和SEM分析

5、表明其存在特殊的內(nèi)建電場和c軸取向平行于膜面的晶粒；濺射過程中氧分壓的增加會導(dǎo)致薄膜的絕緣性能增強；其透光譜顯示光學(xué)吸收邊發(fā)生明顯藍移。
　　4．研究AZO合金薄膜的光電響應(yīng)性能，結(jié)果表明：摻入Al可抑制ZnO薄膜中氧空位缺陷的形成，Al濃度的增大使得薄膜的絕緣性能增強，有利于實現(xiàn)暗電流低的光電探測器件，提高其光暗電流比，尤其是可以抑制慢速的氧氣吸附和解吸附反應(yīng)，從而提高器件的響應(yīng)速度。獲得的快速響應(yīng)的AZO探測器在紫外光照下顯示

6、出對稱的非線性特征，即采用元件替代方法將光敏電阻應(yīng)用于蔡氏電路時，在變型蔡氏電路中可產(chǎn)生三渦旋光電混沌吸引子。
　　5．研究摻Al對AZO薄膜表面勢壘和功函數(shù)的影響，通過對不同Al濃度AZO合金薄膜的C-V測試，獲得其表面接觸勢壘高度隨Al濃度增加而減小的規(guī)律；分別從理論計算和I-V-T測試擬合研究了5at%摻Al對ZnO薄膜表面功函數(shù)的影響，兩種方式獲得的表面功函數(shù)值分別下降了0.09eV和0.098eV。以上研究結(jié)果表明摻Al

7、使得AZO薄膜的費米能級上移至導(dǎo)帶，從而形成較小的表面勢壘，有利于電子從表面逸出。
　　6．研究將AlxZn1-xO薄膜用于實現(xiàn)NEA紫外光電陰極，制作AZO陰極真空光電管，其光暗電流相差兩個數(shù)量級以上。采用高導(dǎo)電AZO薄膜作為透明導(dǎo)電底電極，在其上誘導(dǎo)生長陽離子空位為主導(dǎo)的AZO納米晶表面層，由以上摻雜調(diào)制技術(shù)獲得的AZO異質(zhì)復(fù)合結(jié)構(gòu)陰極材料，因為底電極和陰極膜同屬AZO材料體系，界面間結(jié)合緊密，并能有效實現(xiàn)能帶調(diào)制，具有良好的