ZnO納米結(jié)構(gòu)與器件的制備和研究.pdf

1、近年來，半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)因其在先進(jìn)器件等方面存在廣闊的應(yīng)用前景，而成為國(guó)內(nèi)外納米領(lǐng)域人們關(guān)注的熱點(diǎn)。其中，ZnO納米陣列結(jié)構(gòu)被認(rèn)為是最具有應(yīng)用前景的納米材料之一。ZnO是一種寬禁帶直接帶隙Ⅱ-Ⅳ族半導(dǎo)體材料，室溫下禁帶寬度為3.37eV，具有較大的激子束縛能(60meV)，是制備下一代短波長(zhǎng)發(fā)光二極管(LED)和激光器的最佳候選者之一；它具有良好的壓電性和生物適合性，可用于壓電傳感器、機(jī)電耦合傳感器、表面聲波器件、微機(jī)電系統(tǒng)和生物醫(yī)藥等領(lǐng)

2、域。而且，制備ZnO納米結(jié)構(gòu)的技術(shù)較多，如：化學(xué)氣相沉積(CVD)、金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(MOCVD)、熱蒸發(fā)、分子束外延(MBE)等。因此，ZnO納米結(jié)構(gòu)成為眾多研究者關(guān)注的焦點(diǎn)，許多研究人員通過各種制備技術(shù)得到了不同形貌和性質(zhì)的ZnO納米結(jié)構(gòu)。本文以ZnO材料為出發(fā)點(diǎn)，重點(diǎn)研究了目前阻礙ZnO基納米器件發(fā)展的難點(diǎn)問題：制備高質(zhì)量的ZnO納米結(jié)構(gòu)陣列和p型摻雜ZnO納米結(jié)構(gòu)。同時(shí)對(duì)ZnO基納米線場(chǎng)效應(yīng)晶體管器件進(jìn)行了初步研究。

3、 通常人們采用金屬催化的方法生長(zhǎng)ZnO納米結(jié)構(gòu)，但是這些金屬催化劑會(huì)引入新的雜質(zhì)缺陷，所以發(fā)展無催化方法制備ZnO納米結(jié)構(gòu)是很有必要的。據(jù)了解，到目前為止還沒有關(guān)于無金屬催化的脈沖激光沉積(PLD)方法制備ZnO納米結(jié)構(gòu)的報(bào)道。本文采用PLD技術(shù)通過獨(dú)特的方法在InP襯底上實(shí)現(xiàn)了ZnO納米結(jié)構(gòu)陣列的可控生長(zhǎng)，實(shí)驗(yàn)中沒有采用金屬催化劑，避免引入了新的雜質(zhì)缺陷。通過SEM、XRD、PL譜等表征手段對(duì)其進(jìn)行了表征，結(jié)果表明制備出的ZnO納米結(jié)

4、構(gòu)具有較好的表面形貌和結(jié)晶質(zhì)量，常溫PL呈現(xiàn)出紫外發(fā)射峰和綠光發(fā)射峰，表現(xiàn)出良好的光學(xué)性質(zhì)。這種簡(jiǎn)單的PLD法為進(jìn)一步制備質(zhì)量滿足納米器件要求的ZnO納米結(jié)構(gòu)提供了一種無金屬催化的生長(zhǎng)方法。 進(jìn)一步優(yōu)化生長(zhǎng)條件制備出整齊的ZnO納米結(jié)構(gòu)陣列。SEM顯示制備出的ZnO納米結(jié)構(gòu)陣列具有很好的表面形貌和擇優(yōu)生長(zhǎng)取向；XRD測(cè)試結(jié)果表明ZnO納米結(jié)構(gòu)陣列結(jié)晶質(zhì)量很好；低溫PL譜出現(xiàn)新奇的現(xiàn)象，通過比較不同生長(zhǎng)溫度的低溫PL譜，推斷磷元素

5、可以從InP襯底溢出擴(kuò)散進(jìn)入ZnO，形成磷摻雜的ZnO(ZnO:P)納米結(jié)構(gòu)陣列；采用變溫和變激發(fā)PL光譜對(duì)光學(xué)特性和發(fā)光機(jī)理進(jìn)行了細(xì)致研究，證實(shí)了磷元素是作為受主摻雜進(jìn)入ZnO納米結(jié)構(gòu)陣列；采用Arrhenius公式對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合計(jì)算，計(jì)算出的受主束縛能EA的數(shù)值與理論模型預(yù)言和其他課題組得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相符合。本實(shí)驗(yàn)成功制備出ZnO：P納米結(jié)構(gòu)陣列，為實(shí)現(xiàn)ZnO基納米器件的p型摻雜提供了一種可借鑒的方法。 通過在反應(yīng)源中加

6、入P2O5粉末的簡(jiǎn)單約束管化學(xué)氣相沉積方法在α-藍(lán)寶石襯底上制備出具有奇特形貌的磷摻雜ZnO納米四角棱錐結(jié)構(gòu)。SEM測(cè)試顯示未摻雜和磷摻雜的ZnO納米四角棱錐結(jié)構(gòu)具有相似的形貌特征，但是ZnO:P納米四角棱錐的頂端要比未摻雜的尖銳：XRD測(cè)試結(jié)果表明制備出的未摻雜和磷摻雜的ZnO納米四角棱錐具有良好的晶體質(zhì)量；選擇區(qū)域電子衍射出現(xiàn)了清晰的矩形亮斑衍射花樣說明未摻雜和磷摻雜的ZnO納米四角棱錐的晶體結(jié)構(gòu)為六角纖鋅礦結(jié)構(gòu)，結(jié)晶質(zhì)量很好具有明

7、顯的(002)擇優(yōu)生長(zhǎng)取向；通過比較未摻雜和磷摻雜樣品的低溫PL譜，發(fā)現(xiàn)未摻雜樣品出現(xiàn)施主束縛激子(D0X)和自由激子相關(guān)的發(fā)射峰，磷摻雜樣品的低溫PL譜中D0X消失并出現(xiàn)了幾個(gè)新的發(fā)射峰，推測(cè)這幾個(gè)發(fā)射峰應(yīng)該是與磷摻雜有關(guān)，采用變溫和變激發(fā)PL譜表征磷摻雜樣品的光學(xué)性質(zhì)，通過對(duì)機(jī)理的分析確認(rèn)這幾個(gè)發(fā)射峰是與磷受主摻雜相關(guān)的：A0X，F(xiàn)A，DAP以及DAP-1LO，因此證實(shí)了磷元素是作為受主摻雜進(jìn)入ZnO。利用Arrhenius公式和H

8、aynes規(guī)則通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得出受主束縛能EA。本實(shí)驗(yàn)通過一種簡(jiǎn)單的CVD方法和一種廉價(jià)的P2O5摻雜源實(shí)現(xiàn)了ZnO納米結(jié)構(gòu)的p型摻雜，這為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)ZnO基納米器件提供了一種可行的p型摻雜方法。 通過化學(xué)氣相沉積方法生長(zhǎng)出ZnO納米線，利用電子束蒸發(fā)和光刻技術(shù)制備出規(guī)則的微米級(jí)Au電極，將單根ZnO納米線搭連在Au電極上，組裝出了最基本的半導(dǎo)體ZnO納米線場(chǎng)效應(yīng)晶體管。利用I-V特性測(cè)試儀對(duì)制作的ZnO納米線場(chǎng)效應(yīng)晶體管的I