ZnO探测器的制备及其光电性能的研究
发布时间：2021-11-14 06:38
随着紫外探测技术在生产生活及军事领域的广泛应用,获取成本低且性能优异的紫外探测器已成为当前最热门的研究方向之一。ZnO作为第三代宽禁带直接带隙的半导体材料,由于其优良的特性在光电器件应用中引起了广泛关注。为了改善ZnO薄膜的质量和提升其光电性能,从而制备出性能更好的ZnO紫外光电探测器,本论文进行了如下的研究工作:采用射频磁控溅射的方法在玻璃衬底上制备了不同退火处理下的ZnO薄膜,得到500℃氧气氛围中退火的ZnO薄膜具有最好的薄膜质量和电学性能。同时采用射频和直流共溅射的方法制备了 Nb和Sn掺杂的ZnO薄膜,Nb掺杂ZnO薄膜随直流溅射功率的增加,晶粒大小和表面粗糙度都减小,光学带隙逐渐增大,在10 W具有最好的电学性能;而Sn掺杂ZnO薄膜在直流溅射功率为15 W时,晶粒尺寸和表面粗糙度最小,同时电学性能最好。结果表明退火和掺杂的薄膜都具备更好的特性,这对探测器的性能提升奠定了基础。在制备得到的ZnO薄膜上制作了 MSM结构光电探测器,首先研究了不同电极材料选择对探测器的影响,发现Au电极比Ag电极探测器紫外响应性能更好;其次研究了不同退火处理对探测器的影响,得到500℃氧气氛围...
【文章来源】：西安理工大学陕西省
【文章页数】：78 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
磁控溅射原理示意图
电子，二次电子在电场作用下离化溅射离子，从而形成放电自持，最后使得靶材原子沉积在衬底基片上形成薄膜。直流溅射方式只适用于导电性能好的靶材材料薄膜的制备，不适用于绝缘陶瓷材料薄膜的制备，这是由于在直流条件下，靶材在被离子轰击的过程中，会产生大量的正电荷，对于导电性能好的靶材，可以将正电荷传递给阴极并中和，而对于绝缘材料的靶材来说，它被轰击产生的电荷无法及时的中和掉，从而导致靶材表面的电位迅速升高，直流电源几乎将全部电压施加到靶材上，从而导致气体电离减弱，最终导致溅射生长过程终止。图2-2共溅射原理示意图Fig.2-2Theschematicofco-sputtering磁控共溅射的原理图如2-2所示，通过将两个靶分别接入反应系统，直流靶通常只能接导电性能好的靶材，当直流和射频电源同时将合适的电压加载到各自的阴极靶材上时，如前面所介绍的射频和直流工作原理一致，两个溅射靶同时工作，使得轰击两种靶材逸出的两种原子都飞向基板表面沉积，磁控溅射靶材原子是一个均匀沉积的过程，两种原子最终会均匀混合在一起并沉积在衬底表面。而共溅射不仅可以通过改变溅射电源的功率来实现对靶材原子沉积比重的控制，还可以通过前后不同的溅射实现不同薄膜的顺序生长，操作方便简单，得到的薄膜均匀，所以共溅射目前在掺杂及薄膜的顺序生长等方面得到了广泛的应用。2.1.2化学气相沉积化学气相沉积（CVD）法是在反应的腔室内使得反应物质在高温区内气化，经过化学反应，在气体的运输作用下经过低温区沉积后在衬底基片表面形成薄膜，这个技术对反应
用，它不仅可以镀多种化合物及半导体薄膜，多种薄膜的纳米线材料也可以用这种技术来生长。CVD的基本原理示意图如图2-3所示，它的原理是采用惰性保护气体来运输反应材料，通过加热器在高温下将原材料气化，这种气态化合物在惰性气体的运输作用下输送到与源区温度不同的沉积区，发生逆向反应生成源物质而在衬底基片沉积形成薄膜。化学气相沉积方法的优点是成膜速度快、薄膜的结合力好、辐射损伤孝获得的沉积表面平滑、适合于大规模生产。本文中我们主要利用CVD管式炉来对制备的ZnO及其掺杂薄膜在特定氛围下进行退火处理。图2-3CVD原理示意图Fig.2-3TheschematicofCVD2.2ZnO薄膜的表征方法人们通过诸多方法制备了各种各样的ZnO薄膜材料和器件，而不同的制备方法、制备工艺和制备参数都会直接影响半导体薄膜的光学和电学特性。这使得对于制备的薄膜进行表征尤为重要，我们不仅可以通过结果的分析来优化后期的实验工艺，还可以通过分析来研究薄膜的各种特性机理，为ZnO的研究提供可靠直观的科学依据。本文为研究和分析制备得到的ZnO薄膜的晶体质量，我们对薄膜的表面形貌、结晶质量、元素组分、光学性质、电学性能性质等进行了表征。2.2.1X射线衍射（XRD）X射线在穿过晶体的时候，由于光衍射作用的存在，我们可以获得经过衍射后的X射线的信息来得到X射线在晶体内的衍射图谱，这就是X射线的原理。它可以显示材料的晶体信息有晶体取向、晶格常数、平均晶粒尺寸、位错以及应力等。X射线根据其发射状态的不同可以分为连续X射线和特征X射线，X射线是由高速运动的电子或其他高能辐射流等在原子内部通过高速轰击的方式使得原子发生跃迁而产生的光辐射，因为晶体之间的原子间距和X射线的波长非常接近，此时晶体可被用作X光的光栅。
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于高阻ZnO薄膜的光电导型紫外探测器[J]. 祁晓萌,彭文博,赵小龙,贺永宁. 物理学报. 2015(19)
[2]Nb掺杂ZnO透明导电薄膜的结构以及光电性能研究[J]. 周爱萍,高金霞,孙艳. 人工晶体学报. 2012(04)
[3]Sn掺杂对ZnO薄膜结构和光电性能的影响[J]. 史小龙,赵小如,孙慧楠,段利兵,刘金铭,陈安琪. 人工晶体学报. 2012(S1)
[4]MSM结构ZnO紫外探测器的制备及光电性能研究[J]. 刘大博. 航空材料学报. 2012(03)
[5]退火对ZnO薄膜特性的影响与紫外探测器的研制[J]. 吴跃波,杨启耀,雷声,吴孙桃. 传感技术学报. 2012(05)
[6]氧在溅射和退火过程中对ZnO薄膜的影响研究[J]. 徐芸芸,张韬,陈晰,徐新,李争鸣. 表面技术. 2009(04)
[7]ZnO基紫外光电探测器的研究进展[J]. 刘云燕,袁玉珍,李洁,高绪团. 材料导报. 2007(10)
[8]GaN基紫外探测器及其研究进展[J]. 李向阳,许金通,汤英文,李雪,张燕,龚海梅,赵德刚,杨辉. 红外与激光工程. 2006(03)
[9]In2O3∶Sn和ZnO∶Al透明导电薄膜的结构及其导电机制[J]. 陈猛,白雪冬,黄荣芳,闻立时. 半导体学报. 2000(04)
[10]退火处理对透明导电CdIn2O4薄膜光学、电学性质及其能带结构的影响[J]. 吴彬,王万录,廖克俊,张振刚. 半导体学报. 1997(02)
博士论文
[1]磁控溅射制备ZnO及其掺Al薄膜与MSM紫外光电探测器的研制[D]. 吴跃波.厦门大学 2008
硕士论文
[1]铒或硼掺杂ZnO薄膜的制备及其缺陷、光电性能的研究[D]. 毛彩英.重庆大学 2016
[2]基干氧化锌的p-n结紫外探测器[D]. 裴生棣.兰州大学 2015
[3]纳米ZnO基紫外探测器的制备与性能研究[D]. 戴文.浙江大学 2015
[4]全透明ZnO紫外光电探测器的室温制备与性能研究[D]. 王蕾.南京理工大学 2015
[5]ZnO基薄膜及其紫外光电探测器的制备和特性研究[D]. 赵亚军.长春理工大学 2014
[6]硅基锗金属—半导体—金属光电探测器的性能优化与设计研究[D]. 洪霞.浙江大学 2014
[7]n型ZnO欧姆接触及肖特基接触电极的研究[D]. 顾建龙.浙江大学 2013
[8]MSM结构紫外探测器制备与性能研究[D]. 杨乐臣.电子科技大学 2012
[9]GaN基MSM结构紫外探测器研究[D]. 周飞跃.电子科技大学 2006
[10]GaN材料及MSM结构紫外光电探测器的研究与制备[D]. 陈小红.厦门大学 2002
本文编号：3494145
【文章来源】：西安理工大学陕西省
【文章页数】：78 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
磁控溅射原理示意图
电子，二次电子在电场作用下离化溅射离子，从而形成放电自持，最后使得靶材原子沉积在衬底基片上形成薄膜。直流溅射方式只适用于导电性能好的靶材材料薄膜的制备，不适用于绝缘陶瓷材料薄膜的制备，这是由于在直流条件下，靶材在被离子轰击的过程中，会产生大量的正电荷，对于导电性能好的靶材，可以将正电荷传递给阴极并中和，而对于绝缘材料的靶材来说，它被轰击产生的电荷无法及时的中和掉，从而导致靶材表面的电位迅速升高，直流电源几乎将全部电压施加到靶材上，从而导致气体电离减弱，最终导致溅射生长过程终止。图2-2共溅射原理示意图Fig.2-2Theschematicofco-sputtering磁控共溅射的原理图如2-2所示，通过将两个靶分别接入反应系统，直流靶通常只能接导电性能好的靶材，当直流和射频电源同时将合适的电压加载到各自的阴极靶材上时，如前面所介绍的射频和直流工作原理一致，两个溅射靶同时工作，使得轰击两种靶材逸出的两种原子都飞向基板表面沉积，磁控溅射靶材原子是一个均匀沉积的过程，两种原子最终会均匀混合在一起并沉积在衬底表面。而共溅射不仅可以通过改变溅射电源的功率来实现对靶材原子沉积比重的控制，还可以通过前后不同的溅射实现不同薄膜的顺序生长，操作方便简单，得到的薄膜均匀，所以共溅射目前在掺杂及薄膜的顺序生长等方面得到了广泛的应用。2.1.2化学气相沉积化学气相沉积（CVD）法是在反应的腔室内使得反应物质在高温区内气化，经过化学反应，在气体的运输作用下经过低温区沉积后在衬底基片表面形成薄膜，这个技术对反应
用，它不仅可以镀多种化合物及半导体薄膜，多种薄膜的纳米线材料也可以用这种技术来生长。CVD的基本原理示意图如图2-3所示，它的原理是采用惰性保护气体来运输反应材料，通过加热器在高温下将原材料气化，这种气态化合物在惰性气体的运输作用下输送到与源区温度不同的沉积区，发生逆向反应生成源物质而在衬底基片沉积形成薄膜。化学气相沉积方法的优点是成膜速度快、薄膜的结合力好、辐射损伤孝获得的沉积表面平滑、适合于大规模生产。本文中我们主要利用CVD管式炉来对制备的ZnO及其掺杂薄膜在特定氛围下进行退火处理。图2-3CVD原理示意图Fig.2-3TheschematicofCVD2.2ZnO薄膜的表征方法人们通过诸多方法制备了各种各样的ZnO薄膜材料和器件，而不同的制备方法、制备工艺和制备参数都会直接影响半导体薄膜的光学和电学特性。这使得对于制备的薄膜进行表征尤为重要，我们不仅可以通过结果的分析来优化后期的实验工艺，还可以通过分析来研究薄膜的各种特性机理，为ZnO的研究提供可靠直观的科学依据。本文为研究和分析制备得到的ZnO薄膜的晶体质量，我们对薄膜的表面形貌、结晶质量、元素组分、光学性质、电学性能性质等进行了表征。2.2.1X射线衍射（XRD）X射线在穿过晶体的时候，由于光衍射作用的存在，我们可以获得经过衍射后的X射线的信息来得到X射线在晶体内的衍射图谱，这就是X射线的原理。它可以显示材料的晶体信息有晶体取向、晶格常数、平均晶粒尺寸、位错以及应力等。X射线根据其发射状态的不同可以分为连续X射线和特征X射线，X射线是由高速运动的电子或其他高能辐射流等在原子内部通过高速轰击的方式使得原子发生跃迁而产生的光辐射，因为晶体之间的原子间距和X射线的波长非常接近，此时晶体可被用作X光的光栅。
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于高阻ZnO薄膜的光电导型紫外探测器[J]. 祁晓萌,彭文博,赵小龙,贺永宁. 物理学报. 2015(19)
[2]Nb掺杂ZnO透明导电薄膜的结构以及光电性能研究[J]. 周爱萍,高金霞,孙艳. 人工晶体学报. 2012(04)
[3]Sn掺杂对ZnO薄膜结构和光电性能的影响[J]. 史小龙,赵小如,孙慧楠,段利兵,刘金铭,陈安琪. 人工晶体学报. 2012(S1)
[4]MSM结构ZnO紫外探测器的制备及光电性能研究[J]. 刘大博. 航空材料学报. 2012(03)
[5]退火对ZnO薄膜特性的影响与紫外探测器的研制[J]. 吴跃波,杨启耀,雷声,吴孙桃. 传感技术学报. 2012(05)
[6]氧在溅射和退火过程中对ZnO薄膜的影响研究[J]. 徐芸芸,张韬,陈晰,徐新,李争鸣. 表面技术. 2009(04)
[7]ZnO基紫外光电探测器的研究进展[J]. 刘云燕,袁玉珍,李洁,高绪团. 材料导报. 2007(10)
[8]GaN基紫外探测器及其研究进展[J]. 李向阳,许金通,汤英文,李雪,张燕,龚海梅,赵德刚,杨辉. 红外与激光工程. 2006(03)
[9]In2O3∶Sn和ZnO∶Al透明导电薄膜的结构及其导电机制[J]. 陈猛,白雪冬,黄荣芳,闻立时. 半导体学报. 2000(04)
[10]退火处理对透明导电CdIn2O4薄膜光学、电学性质及其能带结构的影响[J]. 吴彬,王万录,廖克俊,张振刚. 半导体学报. 1997(02)
博士论文
[1]磁控溅射制备ZnO及其掺Al薄膜与MSM紫外光电探测器的研制[D]. 吴跃波.厦门大学 2008
硕士论文
[1]铒或硼掺杂ZnO薄膜的制备及其缺陷、光电性能的研究[D]. 毛彩英.重庆大学 2016
[2]基干氧化锌的p-n结紫外探测器[D]. 裴生棣.兰州大学 2015
[3]纳米ZnO基紫外探测器的制备与性能研究[D]. 戴文.浙江大学 2015
[4]全透明ZnO紫外光电探测器的室温制备与性能研究[D]. 王蕾.南京理工大学 2015
[5]ZnO基薄膜及其紫外光电探测器的制备和特性研究[D]. 赵亚军.长春理工大学 2014
[6]硅基锗金属—半导体—金属光电探测器的性能优化与设计研究[D]. 洪霞.浙江大学 2014
[7]n型ZnO欧姆接触及肖特基接触电极的研究[D]. 顾建龙.浙江大学 2013
[8]MSM结构紫外探测器制备与性能研究[D]. 杨乐臣.电子科技大学 2012
[9]GaN基MSM结构紫外探测器研究[D]. 周飞跃.电子科技大学 2006
[10]GaN材料及MSM结构紫外光电探测器的研究与制备[D]. 陈小红.厦门大学 2002
本文编号：3494145
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