【摘 要】
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氧化锌(ZnO)是一种Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体,它具有宽的直接带隙(~3.37 e V)、大的激子结合能(~60 me V)、良好的化学和热稳定性,因此有望在短波长光电探测领域扮演重要角色。ZnO是一种具有很强自补偿效应的半导体,这一特性使得n-ZnO容易获得而稳定可控的p-ZnO却难以实现,由此导致构建高性能且稳定的ZnO光电探测器难以实现。单晶硅具有良好的导热、导电性能,加工工艺技术成熟,容易低成
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氧化锌(ZnO)是一种Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体,它具有宽的直接带隙(~3.37 e V)、大的激子结合能(~60 me V)、良好的化学和热稳定性,因此有望在短波长光电探测领域扮演重要角色。ZnO是一种具有很强自补偿效应的半导体,这一特性使得n-ZnO容易获得而稳定可控的p-ZnO却难以实现,由此导致构建高性能且稳定的ZnO光电探测器难以实现。单晶硅具有良好的导热、导电性能,加工工艺技术成熟,容易低成本制备大尺寸衬底,是构建ZnO异质结光电探测器理想的p型材料。但是,制备硅基氧化锌光电探测器件仍然存在一些问题需要解决:(1)硅是一种窄禁带间接带隙半导体,硅基平面异质结具有较大的光反射率,以此为基础制备的光电器件光吸收率低;(2)体硅和ZnO之间存在较大的晶格失配和热失配,在异质结制备过程中容易产生较大的界面应力,从而降低薄膜的生长质量并影响器件性能。针对上述问题,本文拟以具有非平面图案化微纳结构的硅纳米孔柱阵列(Si-NPA)为p型衬底,制备ZnO/Si-NPA非平面异质结并构筑ZnO/Si-NPA紫外光电探测器。Si-NPA具有三重层次结构,即:由微米尺寸硅柱组成的规则阵列结构、硅柱的纳米多孔结构和组成纳米孔孔壁的硅纳米颗粒。基于Si-NPA的结构特点,以Si-NPA为衬底制备ZnO/Si异质结将具有以下优点:(1)Si-NPA的非平面阵列结构和纳米多孔结构可以有效提升其光吸收能力;(2)硅纳米晶粒尺寸小将导致其禁带宽度展宽并由间接带隙转变为准直接带隙,从而表现出独特的光学和电学特性;(3)以具有微纳结构的Si-NPA为衬底,能通过三维应力释放有效减小ZnO薄膜沉积过程中产生的界面应力,提高薄膜的质量和异质结性能。因此,本文拟以Si-NPA为衬底,采用磁控溅射法制备ZnO/Si-NPA异质结并构建基于ZnO/Si-NPA的紫外光电探测器。研究取得如下主要结果:(1)以Si-NPA为衬底、采用磁控溅射法制备了ZnO/Si-NPA异质结。通过分析衬底温度、功率和压强等磁控溅射参数对ZnO薄膜质量和性能的影响,实现了对ZnO薄膜沉积工艺的优化。(2)通过对ZnO/Si-NPA异质结表界面形貌、结构和成分的表征分析,建立了ZnO/Si-NPA复杂界面结构异质结的物理模型,并对其电学特性及输运机制进行了分析。(3)构建了基于ZnO/Si-NPA复杂界面结构异质结的紫外光电探测器。测试结果表明,在零偏压和360 nm紫外光辐照下,器件的响应度和比探测率分别达到了0.127 m A/W和3.06×10~8 Jones,响应和恢复时间分别为49 ms和51 ms。上述结果表明,以具有图案化微纳结构的Si-NPA为衬底构建ZnO/Si-NPA复杂界面结构异质结,可以有效增加器件的光吸收率、缩短光生载流子的传输路程并提高载流子的收集效率,是制备ZnO/Si异质结紫外光电探测器的有效途径。
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