準一維硒化鋅納米材料的可控摻雜及其納米光電子器件的研究.pdf

1、準一維納米半導(dǎo)體材料具有優(yōu)異的電學和光學性質(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(對應(yīng)激發(fā)波長在460nm左右)，在發(fā)光、光伏以及光電探測器件等光電子器件中應(yīng)用前景廣泛。因此準一維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、征準一維ZnSe納米材料電阻率高，近乎絕緣難以應(yīng)用。對準一維ZnSe納米材料的可控摻雜及納米器件的研究亟待展開。
　　本論文對于準一維ZnSe納米材料的可控摻雜及納米光電子器件進行了系統(tǒng)的研究。通過在熱蒸發(fā)過程中引入Cl和N元素，實現(xiàn)了準一維硒化鋅材料的n、p型可控摻雜，對合成的摻雜納米結(jié)構(gòu)的形貌、物相以及成分等微結(jié)構(gòu)進行了表征。并基于摻雜準一維ZnSe納米材料構(gòu)筑了場效應(yīng)晶體管、pn結(jié)、肖特基二極管以及結(jié)型場效應(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)的改進對納米材料的電學和光學的影響，為準一維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粉為生長源，利用熱蒸發(fā)的方法，在鍍有Au催化劑的硅片上生長得到了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)等手段對納米帶微結(jié)構(gòu)進行了表征。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，形貌均勻，表面無明顯顆粒，寬度在500nm-3μm之間，長度在30-100μm。通過構(gòu)筑底柵場效應(yīng)晶體管，對ZnSe：Cl納米帶的電學和光電性質(zhì)進行了表征。經(jīng)計算得出摻雜后的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納米帶對不同波長的入射光的光譜測試分析表明隨著入射光波長的減小

5、電導(dǎo)有明顯提高，在460nm左右達到最大值。隨著摻雜濃度的提高其光譜響應(yīng)度和增益可達到7.9×105AW-1和2.1×106。通過在空氣中對ZnSe：Cl納米帶進行退火工藝并對其進行光學測試，光譜響應(yīng)測試結(jié)果表明ZnSe：Cl納米帶的波長吸收范圍變寬，這是由于空氣中退火在ZnSe：Cl納米帶表面形成一層ZnO鞘層，增強了其紫外光譜吸收能力。對不同摻雜濃度的ZnSe納米帶的時間響應(yīng)譜分析顯示：沒有摻雜的ZnSe納米帶的光電流遠遠低于摻雜后

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納米帶具有較長的響應(yīng)時間，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效應(yīng)器件依然保持良好的電學和光學性能。這為納米材料在觸摸屏和各種柔性器件中的應(yīng)用提供了實驗依據(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，長度可達幾十微米。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效應(yīng)器件，對N摻雜ZnSe納米線的電學性質(zhì)進行了表征。摻雜后的ZnSe納米線具有明顯的p型電輸運特性。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，開關(guān)比可達到106。其在模擬光源下開啟電壓可達到0.45V，短路電流達到2.6nA，轉(zhuǎn)化效