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  本文關(guān)鍵詞：低維半導(dǎo)體納米材料紫外光電性能的研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

《吉林大學(xué)》 2015年

低維半導(dǎo)體納米材料紫外光電性能的研究

張敏  

【摘要】：本文從計(jì)算物理角度出發(fā)，詳細(xì)研究了金屬-半導(dǎo)體-金屬結(jié)構(gòu)（MSM）TiO2紫外探測器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及器件性能的數(shù)值分析。在實(shí)驗(yàn)方面，制作了多種基于ABO3型鈣鈦礦材料的紫外探測器，其中NaTaO3基紫外探測器的研究屬于首次報(bào)道。此外，研究了高濃度Zr摻雜和聚(9,9-二己基芴)表面修飾對TiO2紫外探測器性能的影響，取得了如下研究成果： 在器件性能的數(shù)值分析中，對MSM結(jié)構(gòu)TiO2紫外探測器電流傳輸機(jī)制進(jìn)行了深入分析，利用MATLAB軟件，對探測器的幾何結(jié)構(gòu)以及摻雜濃度、有源層厚度、光吸收系數(shù)等參數(shù)進(jìn)行系統(tǒng)分析，研究這些參數(shù)與探測器性能之間的關(guān)系。通過對器件進(jìn)行靜態(tài)和瞬態(tài)分析，對暗電流、量子效率、響應(yīng)時(shí)間等重要性能進(jìn)行優(yōu)化，最后得出使器件性能最優(yōu)的相關(guān)參數(shù)數(shù)值，用于指導(dǎo)實(shí)際器件制作，也為其他半導(dǎo)體材料紫外探測器的理論模擬研究奠定良好的基礎(chǔ)。通過計(jì)算機(jī)數(shù)值分析我們發(fā)現(xiàn)金屬功函數(shù)越高，與半導(dǎo)體形成的肖特基勢壘越大，探測器的暗電流越低。光吸收系數(shù)、有源層厚度和反射率都會(huì)影響量子效率：有源層厚度不宜過薄或過厚，在0.2μm左右適宜；光吸收系數(shù)、反射率的優(yōu)化值分別為1.5×107/m和0.22。叉指長度或間距長于20μm后，量子效率或響應(yīng)度幾乎不再隨著叉指長度或間距的增大而增大。反向工作電壓越大，晶體質(zhì)量越好，器件的結(jié)電容越小，渡越時(shí)間越快，電容和渡越時(shí)間的理論計(jì)算值分別為4.57pF，0.4s。 本文制作了多種鈣鈦礦材料紫外探測器，包括SrTiO3、NaTaO3、LaAlO3等：采用sol-gel法制備了SrZr0.1Ti0.9O3納米薄膜，并利用多種表征手段對合成的材料進(jìn)行分析，基于上述薄膜材料，制作了Au電極MSM結(jié)構(gòu)SrZr0.1Ti0.9O3紫外探測器。器件的紫外/可見抑制比超過三個(gè)數(shù)量級，具有非常高的靈敏度。器件的暗電流為41pA，響應(yīng)度為94mA/W，響應(yīng)時(shí)間分別為3.8ms和565ms。 采用水熱法制備NaTaO3膜，制作出具有電容效應(yīng)的MSM結(jié)構(gòu)NaTaO3基紫外探測器，并測試了器件的電流電壓、光譜響應(yīng)以及響應(yīng)時(shí)間特性，5V偏壓下，器件的光電流為20.2nA，光暗電流之比超過一個(gè)數(shù)量級，響應(yīng)峰值出現(xiàn)在260nm處，為76.8mA/W。 除此之外，制作了基于TiO2/SrTiO3異質(zhì)結(jié)有源層的平面MSM結(jié)構(gòu)可見盲型紫外探測器，發(fā)現(xiàn)引入的TiO2/SrTiO3異質(zhì)結(jié)使器件增益變大，響應(yīng)時(shí)間變快。10V偏壓下暗電流僅為0.2nA，260nm處響應(yīng)度峰值為46.1A/W，響應(yīng)時(shí)間分別為3.5ms和1.4s。制作了LaAlO3基MSM結(jié)構(gòu)紫外探測器，器件顯示良好的日盲特性，具有非常低的暗電流和超高靈敏度。Pt電極器件的暗電流僅為4.1pA，在200nm處響應(yīng)度峰值為325mA/W。 本文既包含對TiO2紫外探測器摻雜改性的研究，又有將TiO2紫外探測器與有機(jī)聚合物雜化的研究：采用sol-gel法制備了高濃度Zr摻雜的TiO2納米薄膜，Zr0.5Ti0.5O2納米薄膜的紫外吸收邊處于日盲區(qū)范圍，說明高濃度Zr摻雜改變了復(fù)合材料的禁帶寬度。以此材料為基底制作了不同電極的MSM結(jié)構(gòu)紫外探測器，器件在日盲區(qū)具有很高的光響應(yīng)和極低的暗電流。在5V偏壓250nm紫外光照射下，Pt電極器件的響應(yīng)度為620mA/W，暗電流為17pA，響應(yīng)時(shí)間分別為424.1ms、154ms。此外，我們還研究了濕度和溫度對探測器光電性能的影響，器件對外界濕度和溫度變化表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性。 通過溶劑熱法合成了TiO2，材料呈現(xiàn)一維納米線結(jié)構(gòu)且表面形貌致密均勻。以TiO2納米線為電子受體材料，聚(9,9-二己基芴)為電子給體材料，通過溶液旋涂法制作了有機(jī)/無機(jī)雜化紫外探測器。器件的暗電流低（1.9nA）、光響應(yīng)大（568mA/W）、靈敏度高，為紫外成像研究打下良好基礎(chǔ)。最后，對雜化體系中載流子的內(nèi)部傳輸機(jī)制進(jìn)行了詳細(xì)分析。

【關(guān)鍵詞】：
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TN23
【目錄】：

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