低维半导体纳米材料紫外光电性能的研究

发布时间：2016-11-07 20:52

  本文关键词：低维半导体纳米材料紫外光电性能的研究，由笔耕文化传播整理发布。

《吉林大学》 2015年

低维半导体纳米材料紫外光电性能的研究

张敏  

【摘要】：本文从计算物理角度出发，详细研究了金属-半导体-金属结构（MSM）TiO2紫外探测器结构设计及器件性能的数值分析。在实验方面，制作了多种基于ABO3型钙钛矿材料的紫外探测器，其中NaTaO3基紫外探测器的研究属于首次报道。此外，研究了高浓度Zr掺杂和聚(9,9-二己基芴)表面修饰对TiO2紫外探测器性能的影响，取得了如下研究成果： 在器件性能的数值分析中，对MSM结构TiO2紫外探测器电流传输机制进行了深入分析，利用MATLAB软件，对探测器的几何结构以及掺杂浓度、有源层厚度、光吸收系数等参数进行系统分析，研究这些参数与探测器性能之间的关系。通过对器件进行静态和瞬态分析，对暗电流、量子效率、响应时间等重要性能进行优化，最后得出使器件性能最优的相关参数数值，用于指导实际器件制作，也为其他半导体材料紫外探测器的理论模拟研究奠定良好的基础。通过计算机数值分析我们发现金属功函数越高，与半导体形成的肖特基势垒越大，探测器的暗电流越低。光吸收系数、有源层厚度和反射率都会影响量子效率：有源层厚度不宜过薄或过厚，在0.2μm左右适宜；光吸收系数、反射率的优化值分别为1.5×107/m和0.22。叉指长度或间距长于20μm后，量子效率或响应度几乎不再随着叉指长度或间距的增大而增大。反向工作电压越大，晶体质量越好，器件的结电容越小，渡越时间越快，电容和渡越时间的理论计算值分别为4.57pF，0.4s。 本文制作了多种钙钛矿材料紫外探测器，包括SrTiO3、NaTaO3、LaAlO3等：采用sol-gel法制备了SrZr0.1Ti0.9O3纳米薄膜，并利用多种表征手段对合成的材料进行分析，基于上述薄膜材料，制作了Au电极MSM结构SrZr0.1Ti0.9O3紫外探测器。器件的紫外/可见抑制比超过三个数量级，具有非常高的灵敏度。器件的暗电流为41pA，响应度为94mA/W，响应时间分别为3.8ms和565ms。 采用水热法制备NaTaO3膜，制作出具有电容效应的MSM结构NaTaO3基紫外探测器，并测试了器件的电流电压、光谱响应以及响应时间特性，5V偏压下，器件的光电流为20.2nA，光暗电流之比超过一个数量级，响应峰值出现在260nm处，为76.8mA/W。 除此之外，制作了基于TiO2/SrTiO3异质结有源层的平面MSM结构可见盲型紫外探测器，发现引入的TiO2/SrTiO3异质结使器件增益变大，响应时间变快。10V偏压下暗电流仅为0.2nA，260nm处响应度峰值为46.1A/W，响应时间分别为3.5ms和1.4s。制作了LaAlO3基MSM结构紫外探测器，器件显示良好的日盲特性，具有非常低的暗电流和超高灵敏度。Pt电极器件的暗电流仅为4.1pA，在200nm处响应度峰值为325mA/W。 本文既包含对TiO2紫外探测器掺杂改性的研究，又有将TiO2紫外探测器与有机聚合物杂化的研究：采用sol-gel法制备了高浓度Zr掺杂的TiO2纳米薄膜，Zr0.5Ti0.5O2纳米薄膜的紫外吸收边处于日盲区范围，说明高浓度Zr掺杂改变了复合材料的禁带宽度。以此材料为基底制作了不同电极的MSM结构紫外探测器，器件在日盲区具有很高的光响应和极低的暗电流。在5V偏压250nm紫外光照射下，Pt电极器件的响应度为620mA/W，暗电流为17pA，响应时间分别为424.1ms、154ms。此外，我们还研究了湿度和温度对探测器光电性能的影响，器件对外界湿度和温度变化表现出良好的稳定性。 通过溶剂热法合成了TiO2，材料呈现一维纳米线结构且表面形貌致密均匀。以TiO2纳米线为电子受体材料，聚(9,9-二己基芴)为电子给体材料，通过溶液旋涂法制作了有机/无机杂化紫外探测器。器件的暗电流低（1.9nA）、光响应大（568mA/W）、灵敏度高，为紫外成像研究打下良好基础。最后，对杂化体系中载流子的内部传输机制进行了详细分析。

【关键词】：
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN23
【目录】：

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