硫化鋅納米帶的可控摻雜、半導體特性及其納米器件的研究.pdf

1、硫化鋅(ZnS)是重要的Ⅱ-Ⅵ族化合物直接帶隙半導體材料，禁帶寬度為3.7eV，被廣泛應用于光電子器件中，如平板顯示、發(fā)光二極管、激光器和紫外光探測器件等。近年來，由于一維ZnS納米結構將在下一代微納米電子和光電子器件具有潛在的應用前景而引起廣泛的關注。然而，基于ZnS納米結構的器件應用存在一些不可回避的困難，第一:由于本征或未摻雜ZnS納米結構具有高的晶體質量而具有較少的施主/受主缺陷導致其具有高的絕緣性而很難適合器件應用。第二:由于

2、ZnS納米結構，特別是p型ZnS納米結構，具有高的表面態(tài)導致表面費米能級釘扎使得獲得良好的歐姆接觸非常困難。第三:基于ZnS納米結構如何構建理想的器件結構和獲得優(yōu)越的器件性能始終面臨巨大的挑戰(zhàn)。為克服ZnS納米器件的應用障礙，本文系統(tǒng)研究了刀、p型可控摻雜ZnS納米帶(NRs)的合成及其電子和光電子器件的構筑與特性，取得的主要成果如下:
　　 (1)利用化學氣相沉積方法成功合成了n型摻雜濃度可控ZnS∶ClNRs和ZnS∶GaN

3、Rs，p型ZnS∶AgNRs和ZnS∶CuNRs。形貌和結構表征發(fā)現(xiàn)所有合成的NRs為單晶纖鋅礦結構。為了研究摻雜NRs電輸運特性,基于單根摻雜NRs制備了低柵(back-gate)場效應管(FETs)，電學表征發(fā)現(xiàn)相對于本征NRs,可控Cl摻雜ZnSNRs電導率有8個數(shù)量級的提高，且能在10-3Scm-1到5.0Scm-1間進行調控，電子濃度最高達3.8×1017cm-3.ZnS∶GaNRs電子遷移率μ(n)高達130.9cm2V-1

4、S-1，明顯高于已經報道的摻雜Ⅱ-Ⅵ族一維納米結構的遷移率值。合成的p型ZnS∶AgNRs和ZnS∶CuNRs空穴濃度分別達4×1017cm-3和1.4×1018cm-3。此外，利用微納加工方法，基于單根ZnS∶AgNRs制備了(金屬-半導體FET)MESFETs和柔性MESFETs，亞閾值擺幅和跨導分別為20mV/dec和100μS，空穴遷移率μh高達1300cm2V-1S-1，柔性MESFETs在應力作用下具有較好的穩(wěn)定性。FETs

5、電學表征驗證了n、p型ZnSNRs摻雜的成功實現(xiàn)，提高了NRs電導率和載流子遷移率，為構建高性能納米器件奠定了材料基礎。
　　 (2)首次提出了飽和表面態(tài)，形成與納米材料具有相同導電類型高電導層的方法，實現(xiàn)了電極材料與ZnS納米結構間的良好歐姆接觸，以ITO透明電極替代常用金屬電極，飽和了n型ZnSNRs表面態(tài)，提升了電子經熱或者熱場激發(fā)從NR到ITO隧穿幾率，實現(xiàn)了電極與n型ZnSNRs間的良好的歐姆接觸。此外，采用一種新的C

6、u(4nm)/Au雙層復合電極，在室溫下金屬化獲得了p型ZnSNRs優(yōu)秀的歐姆接觸，比接觸電阻率為5.6×10-7Ωcm12，XPS、XAES和HRTEM分析發(fā)現(xiàn)良好的歐姆接觸主要是由于形成了高電導p型Cu2S過渡層，提高了空穴從NR到電極隧穿幾率。
　　 (3)通過提高n型摻雜ZnSNRs載流子遷移率，制備了高增益光電導型紫外探測器，實現(xiàn)了弱紫外光探測。制備的n型ZnS∶ClNRs光電探測器，對UV光具有明顯的響應，而對可見光

7、無響應，隨著摻雜濃度的升高光電導增益逐漸增加，最高達107,提高了ZnS納米結構對于UV的探測水平。制備的ZnS∶GaNR光電導探測器(PCDs)，在0.01V超低的工作電壓下，對于強度為1μWcm-2（相當于～1×10-14W，每秒光子流為1.25×104個）弱紫外光具有明顯響應，增益高達～2.4×106，響應速度達0.3s。高的增益和相對較快的響應速度主要是由于利用ITO電極獲得良好的歐姆接觸和NRs具有高的載流子遷移率。
　

8、　 (4)提出了優(yōu)化器件結構的方法，提升了光電探測器的響應速度和探測器靈敏度。成功制備的p-ZnSNR-n-Si異質結光電探測器，研究發(fā)現(xiàn)器件上升時間高達～48μs，且在紫外-可見光-近紅外較寬的波長范圍內具有敏感穩(wěn)定的光電響應特性，-0.5V偏壓下對于254nmUV光響應度增加到1.1×103AW-1。此外，利用光刻等微納加工方法成功制備了ITO/p-ZnSNR肖特基二級管(SDs)，研究發(fā)現(xiàn)器件在0.01V工作電壓下能夠探測到功率

9、為6×10-17W（相當于每秒光子流為88個入射到NR上）極低UV光，且具有超高的比探測率和光電導增益，分別為9.8×1020cmHz1/2W-1和7×105。同時，通過器件模擬分析獲得肖特基結耗盡區(qū)電場分布，驗證了界面態(tài)俘獲光生載流子，大大提高了界面電荷密度實現(xiàn)弱光探測的機制。
　　 (5)為簡化半導體納米存儲器的制備工藝，提高器件性能，成功構建了兩種結構兩端非易失性存儲器。研究發(fā)現(xiàn)Al/p-ZnSNRSDs非易失性存儲器具有

10、穩(wěn)定可重復的電學回滯和良好的存儲特性，編程速度高達100ns、電流ON/OFF比高達108、連續(xù)保持時間為6×104s和持續(xù)時間＞12個月。HRTEM分析發(fā)現(xiàn)在Al電極與ZnSNR間自發(fā)形成的極薄AlOx非晶層是器件產生電學開發(fā)特性的主要原因，電導-頻率特性分析界面俘獲和釋放時間驗證了器件100ns的高速響應。此外，構建的p-ZnSNR/n-Si異質結大電導比(ON/OFF＞106)非易失性存儲器同樣具有穩(wěn)定、可重復的回滯和良好的存儲特