磁控溅射法制备ZnO薄膜及光电导探测器的研制

论文摘要

ZnO是一种宽禁带半导体材料,激子复合能高,在紫外区具有高的光电导特性,电子诱生缺陷低,外延生长温度低、成膜性强,有利于制备高性能的紫外探测器。本论文用磁控溅射法制备了ZnO薄膜,研究了制备工艺对ZnO薄膜的结构和性能的影响；然后用电子束蒸发法蒸镀Al/Au接触电极,制备了ZnO基光电导型紫外探测器,并对其性能进行检测。主要内容和结果如下：（1）研究了衬底温度对ZnO薄膜的结构和性能的影响。随着衬底温度升高,ZnO薄膜趋向球状生长,并且颗粒尺寸逐渐增大；体载流子浓度逐渐增加,迁移率和电阻率逐渐减小。当衬底温度为600℃时载流子浓度最高为3.465×1019／cm3,迁移率和电阻率最小分别为0.8051cm2/v·s、0.238Ω·cm。由于膜内部缺陷和应力的影响,衬底温度为600℃时禁带宽度最大为3.28eV。（2）研究了溅射功率对ZnO薄膜结构和光电性能的影响。当功率为130W时,制备的ZnO薄膜的颗粒尺寸最均匀,XRD的衍射峰半高宽最窄,载流子浓度、电阻率最小分别为4.52×1016／cm3和4.85Ω·cm,迁移率最大为17.68cm2／v-s。随着溅射功率的增大,制备的ZnO薄膜的禁带宽度由3.25逐渐增大到3.27。（3）研究了工作压强对ZnO薄膜结构和光电性能的影响。从0.5Pa到2.0Pa,随着溅射压强的增大,ZnO薄膜的颗粒呈现先增大后减小的趋势。当溅射压强在1.5Pa时,制备的ZnO薄膜表面颗粒最均匀,结构最致密,当压强为1.0Pa时,制备的薄膜应力最小为1.164GPa。当溅射压强为1.5Pa时,半高宽最小,薄膜晶粒尺寸最大为18.4nm。制备的ZnO薄膜在可见光范围内具有良好的透过特性,在紫外光波段具有良好的吸收特性,禁带宽度在2.0Pa下最小,为3.252eV。（4）研究了退火温度对ZnO薄膜结构和性能的影响。随着退火温度的升高,ZnO薄膜的颗粒尺寸逐渐增大,半高宽逐渐减小,结晶程度逐渐变好。随着退火温度的升高,电阻率先增大后减小,体载流子浓度先减小后增大,迁移率先增大后减小。（5）研究了不同的叉指结构对探测器性能的影响。用电子束蒸发法制备了Al/Au叉指电极,制备了ZnO基MSM光导型紫外探测器并对其性能进行了检测。实验发现,金属Al与ZnO能形成很好的欧姆接触,探测器在1.5V的偏压下有明显的紫外光响应,在紫外光波长的响应度为6.37A／W。并且叉指间距越小,响应度越大,响应时间越短。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 ZnO的研究
• 1.1.1 ZnO的结构和性质
• 1.1.2 ZnO的能带结构及其固有缺陷
• 1.2 ZnO基紫外探测器的研究
• 1.2.1 光电导型紫外光探测器
• 1.2.2 光伏型紫外光电探测器
• 1.3 论文的研究意义
• 1.4 论文的研究内容
• 第二章 ZnO薄膜的制备和测试方法
• 2.1 磁控溅射法制备ZnO薄膜的原理和特点
• 2.1.1 磁控溅射原理
• 2.1.2 磁控溅射的过程
• 2.1.3 射频磁控溅射特点
• 2.1.4 设备简述
• 2.1.5 样品制备
• 2.2 薄膜的生长过程
• 2.3 检测方法和原理
• 2.3.1 晶体结构的分析
• 2.3.2 表面形貌的分析
• 2.3.3 光学性能的测量
• 2.3.4 电学性能的测量
• 2.4 本章小结
• 第三章 制备工艺对薄膜性能的影响
• 3.1 衬底温度对ZnO薄膜特性的影响
• 3.1.1 SEM的分析
• 3.1.2 XRD的分析
• 3.1.3 电学性能的分析
• 3.1.4 光学性能的分析
• 3.2 溅射功率对ZnO薄膜特性的影响
• 3.2.1 SEM分析
• 3.2.2 XRD的分析
• 3.2.3 电学性能的分析
• 3.2.4 光学性能的分析
• 3.3 工作压强对ZnO薄膜特性的影响
• 3.3.1 SEM的分析
• 3.3.2 XRD的分析
• 3.3.3 电学性能的分析
• 3.3.4 光学性能的分析
• 3.4 退火温度对ZnO薄膜特性的影响
• 3.4.1 SEM的分析
• 3.4.2 XRD的分析
• 3.4.3 电学性能的分析
• 3.5 本章小结
• 第四章 ZnO基光电导探测器的制备和性能表征
• 4.1 探测器的基本原理
• 4.2 探测器的制备
• 4.3 光谱响应相应特性
• 4.4 Ⅰ-Ⅴ特性分析
• 4.5 响应时间特性
• 4.6 本章小结
• 第五章 总结和展望
• 5.1 总结
• 5.2 展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间的科研成果
• 致谢