ZnO:ZnS薄膜及其异质结紫外光电特性的研究

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ZnO作为GaN后的第三代半导体材料,由于其宽带隙、成本低、易于制备,使其在光电子应用非常广泛,例如LED,激光二极管,紫外光探测器。尽管在紫外探测方面取得了一些列研究成果,但由于其本身的缺陷导致的慢光电响应仍是一个难题。但ZnO天然为n型半导体材料,为了实现ZnO在光电领域中的广泛应用,必须实现ZnO电导特性的控制和基于ZnO的能带工程,以满足制备高质量异质结、超晶格的要求。这就涉及到ZnO的掺杂改性,以形成n型和p型半导体或实现基于ZnO合金材料的能带调节。为了更好的利用ZnO,包括Mg及一些过渡元素的掺杂已被人们广泛研究。但对于阴离子的掺杂却很少研究,尤其是Ⅶ族元素。S掺杂ZnO薄膜也许会有其他一些光学和电学性质,因为S具有较大的电负性以及S和O原子半径相差比较大。ZnS也为纤锌矿结构,晶格常数与ZnO相差不大,并且其能带结构与ZnO能带结构符合异质结要求,所以,通过掺杂和形成异质结来改善ZnO的紫外光电性能是一个很有意义的工作。本文具体研究工作如下:(1)概述了ZnO的研究进展、基本性质、能带结构、形态及缺陷等。(2)运用Material Studio5.5下的castep计算模块,对本征ZnO, S掺杂ZnO体系的能带结构、态密度、掺杂杂质的形成能和浓度进行了计算和分析。结果表明S更倾向于替位O掺杂,且随S掺杂浓度薄膜带隙可调。S掺杂会在导带底引入潜能级,使掺杂薄膜载流子浓度提高。(3)运用磁控溅射法制备了不同S掺杂量的ZnO薄膜,对表征结果进行简要分析后,着重研究了薄膜的紫外光电导性能,在紫外光功率为3500μw/cm2的光作用下,其灵敏度约为4,响应时间小于3s。结果表明在一定量S掺杂浓度下,掺杂薄膜具有良好的光电导性能,透过率在可见光范围高于80%,有强烈的吸收边,载流子浓度比没掺杂的高出三个数量级左右。(4)查阅文献,论证了ZnO/ZnS异质结结构,并用磁控溅射设备制备了该结构,结果表明该结构拥有良好的开光特性,但开启电压较小,为2V左右,样品紫外光响应特性明显,反向偏压下灵敏度约为10,响应时间再2.5s左右,具有应用潜力。
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