基于n-ZnO异质pn结的压电电子学与压电光电子学效应研究

摘要

ZnO是一种重要的Ⅱ-Ⅵ族直接宽带隙半导体，禁带宽度为3.37eV，激子束缚能为60meV，已经被广泛地应用于各种电子器件，诸如:发光二极管、太阳能电池、光探测器以及应力传感器等方面。特别是由于ZnO同时具有压电特性、半导体特性和光电特性，从而开辟出了一个新兴领域——压电电子学与压电光电子学。压电电子学和压电光电子学效应通过调节和控制器件界面处载流子的产生、分离、传输和复合过程，进而达到优化器件性能的目的。迄今为止，压电电子学和压电光电子学效应已经被广泛地应用于压电纳米发电机、压电应力传感器的制备和各种电子器件的优化。但是相比于相对简单的肖特基结器件，pn结器件中的压电电子学和压电光电子学效应应用范围更广泛，情况也更加复杂，因此研究pn结器件中的压电电子学和压电光电子学效应便十分重要。
　　本论文利用ZnO作为压电半导体材料制备了具有不同几何参数，掺杂浓度和能带结构的半导体异质pn结。研究了pn结的力电光耦合作用，即压电电子学与压电光电子学效应。主要研究内容包括以下几个方面:
　　(1)利用磁控溅射和水热法在普通Cu线上生长ZnO纳米棒，制备了一种低频柔性纳米发电机。
　　(2)制备NiO-ZnO异质pn结代替传统的肖特基结以增强纳米发电机的压电输出特性。通过直接热氧化Ni箔的方法成功制备了NiO薄膜，在NiO薄膜上采用磁控溅射方法生长ZnO薄膜制备了NiO-ZnO异质结纳米发电机。与单独的ZnO纳米发电机相比，这种异质结发电机的输出电压和输出电流密度分别提高了21和13倍。
　　(3)利用超薄的NiO层作为势垒材料，制备了NiO-ZnO压电式应力传感器，并利用压电光电子学效应大幅提升了器件的敏感性和开关特性。
　　(4)采用水热法和热蒸发氧化的方法制备NiO-ZnO紫外探测器，利用压电光电子学效应使得这种紫外光探测器的光电流和灵敏度分别增加74％和78.7％。对界面处几何参数对于器件性能和压电光电子学效应的影响进行了分析。
　　(5)利用不同掺杂浓度的非压电晶体Si作为p型材料制备Si-ZnO窄-宽带隙pn结，研究了压电光电子学效应对于该种结的作用，讨论了非压电材料一侧载流子浓度对于压电电子学和压电光电子学效应的影响。
　　(6)利用CdO薄膜作为透明电极，制备Si-ZnO-CdO双异质结光探测器。并采用泊松方程研究了压电电荷对于pn内建电场强度的影响。

目录

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摘要

图目录

表目录

主要符号表

1 绪论

1．1 研究背景与意义

1．2 ZnO的基本性质

1．2．1 ZnO结构特性

1．2．2 ZnO的光电性质

1．2．3 ZnO的压电性质

1．3 ZnO纳米材料在压电电子学与压电光电子学器件中的应用

1．3．1 力电耦合-ZnO纳米压电发电机

1．3．2 力电耦合-ZnO压电应力-应变传感器

1．3．3 力电光耦合-压电电子学和压电光电子学效应调控光电器件性能

1．4 选题的依据和本文主要工作

2 本文中采用的材料生长与表征方法

2．1 本文中采用的生长方法

2．1．1 水溶液法

2．1．2 热蒸发法

2．1．3 磁控溅射法

2．2 本文中采用的表征方法

2．2．1 扫描电子显微镜(SEM)

2．2．3 X射线衍射(XRD)

2．2．4 光致发光谱(PL谱)

2．2．5 其它表征测试手段

2．3 本章小结

3 力电耦合-柔性纳米发电机

3．1 基于Cu线衬底的ZnO低频柔性纳米发电机

3．1．1 材料生长和材料制备

3．1．2 材料表征

3．1．3 器件性能表征

3．2 NiO-ZnO pn结增强ZnO柔性纳米发电机

3．2．1 材料生长和制备

3．2．2 材料表征

3．2．3 器件性能研究

3．3 本章小结

4 宽带隙异质结的力光电三场耦合-应力传感器与紫外探测器

4．1．1 材料生长和制备

4．1．2 材料表征

4．1．3 器件性能研究

4．2 压电光电子学效应增强NiO-ZnO核壳紫外探测器

4．2．1 材料生长和制备

4．2．2 材料表征

4．2．3 器件性能研究

4．3 本章小结

5 窄-宽带隙异质结的力光电三场耦合-自供电宽频光探测器

5．1．1 材料生长和制备

5．1．2 材料表征

5．1．3 器件性能研究

5．2 压电光电子学效应增强Si-ZnO-CdO自供电宽频光探测器

5．2．1 材料生长和制备

5．2．2 材料表征

5．2．3 器件性能研究

5．3 本草小结

6 结论与展望

6．1 结论

6．2 创新点

6．3 展望

参考文献

攻读博士学位期间科研成果

致谢

作者简介