ZnO納米結構與器件的制備和研究.pdf

1、近年來，半導體納米結構因其在先進器件等方面存在廣闊的應用前景，而成為國內(nèi)外納米領域人們關注的熱點。其中，ZnO納米陣列結構被認為是最具有應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、機電耦合傳感器、表面聲波器件、微機電系統(tǒng)和生物醫(yī)藥等領

2、域。而且，制備ZnO納米結構的技術較多，如：化學氣相沉積(CVD)、金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)、熱蒸發(fā)、分子束外延(MBE)等。因此，ZnO納米結構成為眾多研究者關注的焦點，許多研究人員通過各種制備技術得到了不同形貌和性質的ZnO納米結構。本文以ZnO材料為出發(fā)點，重點研究了目前阻礙ZnO基納米器件發(fā)展的難點問題：制備高質量的ZnO納米結構陣列和p型摻雜ZnO納米結構。同時對ZnO基納米線場效應晶體管器件進行了初步研究。

3、 通常人們采用金屬催化的方法生長ZnO納米結構，但是這些金屬催化劑會引入新的雜質缺陷，所以發(fā)展無催化方法制備ZnO納米結構是很有必要的。據(jù)了解，到目前為止還沒有關于無金屬催化的脈沖激光沉積(PLD)方法制備ZnO納米結構的報道。本文采用PLD技術通過獨特的方法在InP襯底上實現(xiàn)了ZnO納米結構陣列的可控生長，實驗中沒有采用金屬催化劑，避免引入了新的雜質缺陷。通過SEM、XRD、PL譜等表征手段對其進行了表征，結果表明制備出的ZnO納米結

4、構具有較好的表面形貌和結晶質量，常溫PL呈現(xiàn)出紫外發(fā)射峰和綠光發(fā)射峰，表現(xiàn)出良好的光學性質。這種簡單的PLD法為進一步制備質量滿足納米器件要求的ZnO納米結構提供了一種無金屬催化的生長方法。 進一步優(yōu)化生長條件制備出整齊的ZnO納米結構陣列。SEM顯示制備出的ZnO納米結構陣列具有很好的表面形貌和擇優(yōu)生長取向；XRD測試結果表明ZnO納米結構陣列結晶質量很好；低溫PL譜出現(xiàn)新奇的現(xiàn)象，通過比較不同生長溫度的低溫PL譜，推斷磷元素

5、可以從InP襯底溢出擴散進入ZnO，形成磷摻雜的ZnO(ZnO:P)納米結構陣列；采用變溫和變激發(fā)PL光譜對光學特性和發(fā)光機理進行了細致研究，證實了磷元素是作為受主摻雜進入ZnO納米結構陣列；采用Arrhenius公式對實驗數(shù)據(jù)進行擬合計算，計算出的受主束縛能EA的數(shù)值與理論模型預言和其他課題組得到的實驗數(shù)據(jù)相符合。本實驗成功制備出ZnO：P納米結構陣列，為實現(xiàn)ZnO基納米器件的p型摻雜提供了一種可借鑒的方法。 通過在反應源中加

6、入P2O5粉末的簡單約束管化學氣相沉積方法在α-藍寶石襯底上制備出具有奇特形貌的磷摻雜ZnO納米四角棱錐結構。SEM測試顯示未摻雜和磷摻雜的ZnO納米四角棱錐結構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測試結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構為六角纖鋅礦結構，結晶質量很好具有明

7、顯的(002)擇優(yōu)生長取向；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)了幾個新的發(fā)射峰，推測這幾個發(fā)射峰應該是與磷摻雜有關，采用變溫和變激發(fā)PL譜表征磷摻雜樣品的光學性質，通過對機理的分析確認這幾個發(fā)射峰是與磷受主摻雜相關的：A0X，F(xiàn)A，DAP以及DAP-1LO，因此證實了磷元素是作為受主摻雜進入ZnO。利用Arrhenius公式和H

8、aynes規(guī)則通過實驗數(shù)據(jù)擬合得出受主束縛能EA。本實驗通過一種簡單的CVD方法和一種廉價的P2O5摻雜源實現(xiàn)了ZnO納米結構的p型摻雜，這為進一步實現(xiàn)ZnO基納米器件提供了一種可行的p型摻雜方法。 通過化學氣相沉積方法生長出ZnO納米線，利用電子束蒸發(fā)和光刻技術制備出規(guī)則的微米級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體ZnO納米線場效應晶體管。利用I-V特性測試儀對制作的ZnO納米線場效應晶體管的I