ZnO光电探测器的构建及其性能研究

作     者：付政伟 

作者单位：辽宁工程技术大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李刚;张兴来

授予年度：2023年

学科分类：081702[工学-化学工艺] 07[理学] 070205[理学-凝聚态物理] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0702[理学-物理学] 

主      题：氧化锌 紫外光电探测器 化学气相沉积 温度 压力 衬底 光电性能 

摘      要：氧化锌(ZnO)作为一种直接带隙半导体,具有宽带隙(室温下约3.37 e V)、多样化和合成方法简单、对环境友好、高机械强度、优良的热稳定性等特点,使学者对ZnO的研究兴趣一直在增加。但是,基于ZnO的紫外光电探测器,仍然存在体积小、光响应电流低、响应速度慢、难以操作和测量等不足。本文利用化学气相沉积法,探究不同生长参数(温度、压力、生长衬底)对ZnO结构的影响,并选取三种不同结构(直线、鱼骨、三明治)ZnO制成紫外光电探测器,探究其光电性能变化规律及作用机制,为优化此类光电探测器的光电性能提供理论和实验支持。基于化学气相沉积法,通过改变生长温度(900℃、950℃、1000℃、1050℃),ZnO的宽度随温度升高而减小,同时,在宽度方向上,鱼刺成核区也会随温度发生改变;改变生长压力(1 mbar、5 mbar、7 mbar、10 mbar),在1 mbar下,鱼刺成核区出现在ZnO宽度方向上,7 mbar下成核区完全消失,10 mbar成为杂乱无章结构;在950℃、7mbar条件下,将生长衬底由Si更改为蓝宝石/Ga N,不同的生长衬底由于晶格失配,会对核的横向生长产生影响。利用光刻技术、电子束蒸发技术,将制备得到的直线形ZnO、鱼骨状ZnO分别制成光电探测器。直线形ZnO光电探测器在2 V偏压、365 nm(2.26μW/cm光功率密度)紫外光照下,响应度为5.07×10 A/W,外量子效率为1.73×10%,比探测率为1.44×10Jones,响应时间为746.83 ms,恢复时间为847.36 ms。鱼骨状ZnO光电探测器在365 nm照射(2.56μW/cm光功率密度)、2 V偏压下光电探测器响应度为8.4×10 A/W,外量子效率为6.60×10%,比探测率为7.63×10 Jones,响应时间为527.20 ms,恢复时间为475.00 ms。鱼骨状结构比单根线结构拥有更高的比表面积,使得能够吸收到ZnO表面上的氧气数量更多,光电性能提升。在950℃、7mbar、生长衬底由Si更改为蓝宝石/Ga N的条件下,利用旋涂法制备得到p-Ga N/ZnO纳米线/ZnO薄膜三明治异质结紫外光电探测器。在2 V偏压、365 nm(520μw/cm光功率密度)条件下,光电探测器的响应时间和恢复时间分别为41.83 ms和43.21ms,相比于直线形ZnO光电探测器(响应时间和恢复时间分别为746.83 ms和847.36 ms)、鱼骨状光电探测器(响应时间和恢复时间分别为527.20 ms和475.00 ms),响应速度提高了10倍以上。得益于Ag电极与ZnO薄膜之间的表面等离子体共振、形成p-Ga N/ZnO异质结、光的利用率的提升,响应速度提高。该文有图63幅,表5个,参考文献92篇。