p型準(zhǔn)一維硫化鋅納米結(jié)構(gòu)可控摻雜及納米異質(zhì)結(jié)器件的研究.pdf

1、近年來,準(zhǔn)一維納米結(jié)構(gòu)成為當(dāng)今納米科學(xué)的研究熱點。它們既可以作為模型材料用于研究低維尺度下基本的物理過程,又可以作為組件構(gòu)筑高性能的納米器件。對它們的研究,將觸發(fā)新一代光電子器件的產(chǎn)生,給科技發(fā)展帶來深遠影響。
　　 硫化鋅是(ZnS)一種重要的Ⅱ-Ⅵ族寬禁帶半導(dǎo)體材料,有禁帶寬度為3.72eV的閃鋅礦結(jié)構(gòu)和禁帶寬度為3.77eV的纖鋅礦結(jié)構(gòu),它在電致發(fā)光、光致發(fā)光、平板顯示、紅外窗口和激光等方面有著廣泛應(yīng)用?；谔厥獾墓怆娦再|(zhì)

2、,準(zhǔn)-維ZnS納米結(jié)構(gòu)的研究備受矚目,然而要實現(xiàn)其應(yīng)用,需要利用摻雜控制其光電性質(zhì),但由于在納米材料電學(xué)表征方面的困難,此方面的研究仍處于初步階段,而且本征ZnS電導(dǎo)很低,自補償效應(yīng)導(dǎo)致其出現(xiàn)弱n型特征,要實現(xiàn)準(zhǔn)-維ZnS納米結(jié)構(gòu)的p型摻雜相比n型摻雜更為困難,所以相關(guān)研究亟待開展。
　　 本論文對準(zhǔn)-維ZnS納米結(jié)構(gòu)的p型摻雜及相關(guān)光電子器件進行了系統(tǒng)研究。首先利用Ⅴ族元素Sb實現(xiàn)了可控的ZnS納米帶／納米線的p型摻雜,然后制

3、備了基于ZnS納米帶的底柵場效應(yīng)管、肖特基二極管、肖特基柵極場效應(yīng)晶體管,基于ZnS納米線與硅的異質(zhì)結(jié)以及結(jié)型場效應(yīng)晶體管,以此對摻雜ZnS納米帶／納米線的基本性質(zhì),以及納米器件的工作性能做深入研究。取得的主要成果如下:
　　 1.以單質(zhì)Sb粉為摻雜源,ZnS粉為生長源,利用熱蒸發(fā)的方法,在鍍有金催化劑的硅片上生長Sb摻雜ZnS(ZnS:Sb)納米帶。為得到不同摻雜濃度的產(chǎn)物,分別選擇ZnS與Sb的摩爾配比為2:1和1:1進行實

4、驗。所合成的納米帶表面平滑,形貌均勻,寬度在200-400nm,長度在幾十微米至上百微米之間變化,為單晶纖鋅礦結(jié)構(gòu),生長方向沿[210]方向。Sb摻雜ZnS納米帶的光致發(fā)光譜在520nm附近出現(xiàn)一個綠光發(fā)光帶,且發(fā)光強度隨摻雜濃度的升高而增大,這表明Sb摻雜對ZnS納米帶產(chǎn)生影響,綠光發(fā)光帶來源于鋅空位,摻雜之后鋅空位數(shù)目上升,摻雜濃度越高鋅空位數(shù)越多,所以綠光發(fā)光帶的發(fā)光強度越強。對單根納米帶的電學(xué)測試結(jié)果顯示,隨著摻雜濃度的提高,Z

5、nS納米帶的電導(dǎo)明顯提高,電導(dǎo)率能在7個數(shù)量級內(nèi)調(diào)控。改變溫度與氣壓條件,Sb摻雜ZnS納米線也通過熱蒸發(fā)法制備得到。
　　 2.以SiO2(300nm)／p型硅襯底為襯底制備了Sb摻雜ZnS納米帶的底柵場效應(yīng)晶體管(FETs),其中SiO2層和p型硅基底分別作為場效應(yīng)管的柵極絕緣層和柵極,而Sb摻雜ZnS納米帶則作為場效應(yīng)晶體管的溝道。通過改變柵壓,發(fā)現(xiàn)溝道電流隨著柵壓的減小而明顯上升,呈現(xiàn)出p型溝道的典型特點,證明Sb摻雜Z

6、nS納米帶為p型半導(dǎo)體。隨Sb摻雜濃度的升高,底柵場效應(yīng)管的跨導(dǎo)由0.4nS變化至86.4nS,空穴載流子遷移率由0.2 cm2V-1s-1變化至22.3 cm2V-1s-1,空穴濃度由9.6×1016cm-3變化至6.5×1018cm-3。
　　 3.為進一步研究Sb摻雜ZnS納米帶的應(yīng)用,利用金屬鋁作為肖特接觸,制備了ZnS納米帶肖特基勢壘二極管及肖特基柵極場效應(yīng)管晶體管。測試表明肖特基勢壘二極管展現(xiàn)出良好的整流特性,整流比

7、高于107,器件的理想因子為1.22,勢壘高度為0.71eV,較小的理想因子說明基于Sb摻雜ZnS納米帶的肖特基勢壘二極管的性能已接近理想狀態(tài)。所制備的肖特基二極管還表現(xiàn)出紫外響應(yīng)特性,正向電壓下的明暗電流比為3,紫外光電導(dǎo)增益為1.5×105:負向電壓下的的明暗電流比大于102,紫外光電導(dǎo)增益為29.7。ZnS納米帶的肖特基柵極場效應(yīng)管晶體管也具有很好的器件性能,開關(guān)比高達106,亞閾值擺幅為236mV／dec。
　　 4.制