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作者：

于永强

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摘要：

硫化锌(ZnS)是重要的Ⅱ-Ⅵ族化合物直接带隙半导体材料,禁带宽度为3.7eV,被广泛应用于光电子器件中,如平板显示,发光二极管,激光器和紫外光探测器件等.近年来,由于一维ZnS纳米结构将在下一代微纳米电子和光电子器件具有潜在的应用前景而引起广泛的关注.然而,基于ZnS纳米结构的器件应用存在一些不可回避的困难,第一:由于本征或未掺杂ZnS纳米结构具有高的晶体质量而具有较少的施主/受主缺陷导致其具有高的绝缘性而很难适合器件应用.第二:由于ZnS纳米结构,特别是p型ZnS纳米结构,具有高的表面态导致表面费米能级钉扎使得获得良好的欧姆接触非常困难.第三:基于ZnS纳米结构如何构建理想的器件结构和获得优越的器件性能始终面临巨大的挑战.为克服ZnS纳米器件的应用障碍,本文系统研究了n,p型可控掺杂ZnS纳米带(NRs)的合成及其电子和光电子器件的构筑与特性,取得的主要成果如下: (1)利用化学气相沉积方法成功合成了n型掺杂浓度可控ZnS:ClNRs和ZnS:Ga NRs, p型ZnS:Ag NRs和ZnS:Cu NRS.形貌和结构表征发现所有合成的NRs为单晶纤锌矿结构.为了研究掺杂NRs电输运特性,基于单根掺杂NRs制备了低栅(back-gate)场效应管(FETs),电学表征发现相对于本征NRs,可控Cl掺杂ZnSNRs电导率有8个数量级的提高,且能在10-3Scm-1到5.0Scm-1间进行调控,电子浓度最高达3.8×1017cm-3. ZnS:GaNRs电子迁移率μn高达130.9cmV-1s-1,明显高于已经报道的掺杂Ⅱ-Ⅵ族一维纳米结构的迁移率值.合成的p型ZnS:Ag NRs和ZnS:Cu NRs空穴浓度分别达4×1017cm-3和1.4×1018cm-3.此外,利用微纳加工方法,基于单根ZnS:AgNRs制备了(金属-半导体FET) MESFETs和柔性MESFETs,亚阈值摆幅和跨导分别为20mV/dec和100μs,空穴迁移率μh高达1300cm2V-1S-1,柔性MESFETs在应力作用下具有较好的稳定性.FETs电学表征验证了n,p型ZnS NRs掺杂的成功实现,提高了NRs电导率和载流子迁移率,为构建高性能纳米器件奠定了材料基础. (2)首次提出了饱和表面态,形成与纳米材料具有相同导电类型高电导层的方法,实现了电极材料与ZnS纳米结构间的良好欧姆接触.以ITO透明电极替代常用金属电极,饱和了n型ZnSNRs表面态,提升了电子经热或者热场激发从NR到ITO隧穿几率,实现了电极与n型ZnSNRs间的良好的欧姆接触.此外,采用一种新的Cu(4nm)/Au双层复合电极,在室温下金属化获得了p型ZnSNRs优秀的欧姆接触,比接触电阻率为5.6×10-7Ωcm2, XPS,XAES和HRTEM分析发现良好的欧姆接触主要是由于形成了高电导p型Cu2S过渡层,提高了空穴从NR到电极隧穿几率. (3)通过提高n型掺杂ZnSNRs载流子迁移率,制备了高增益光电导型紫外探测器,实现了弱紫外光探测.制备的n型ZnS:Cl NRs光电探测器,对UV光具有明显的响应,而对可见光无响应,随着掺杂浓度的升高光电导增益逐渐增加,最高达107,提高了ZnS纳米结构对于UV的探测水平.制备的ZnS:GaNR光电导探测器(PCDs),在0.01V超低的工作电压下,对于强度为1μWcm-2(相当于～1×10-14W,每秒光子流为1.25×104个)弱紫外光具有明显响应,增益高达～2.4×106,响应速度达0.3s.高的增益和相对较快的响应速度主要是由于利用ITO电极获得良好的欧姆接触和NRs具有高的载流子迁移率. (4)提出了优化器件结构的方法,提升了光电探测器的响应速度和探测器灵敏度.成功制备的p-ZnS NR-n-Si异质结光电探测器,研究发现器件上升时间高达～48μs,且在紫外-可见光-近红外较宽的波长范围内具有敏感稳定的光电响应特性,-0.5v偏压下对于254nmUV光响应度增加到1.1×103AW-1.此外,利用光刻等微纳加工方法成功制备了ITO/p-ZnS NR肖特基二级管(SDs),研究发现器件在0.01v工作电压下能够探测到功率为6×10-17W(相当于每秒光子流为88个入射到NR上)极低UV光,且具有超高的比探测率和光电导增益,分别为9.8×1020cmHz1/2W-1和7×105.同时,通过器件模拟分析获得肖特基结耗尽区电场分布,验证了界面态俘获光生载流子,大大提高了界面电荷密度实现弱光探测的机制. (5)为简化半导体纳米存储器的制备工艺,提高器件性能,成功构建了两种结构两端非易失性存储器.研究发现Al/p-ZnS NRSDs非易失性存储器具有稳定可重复的电学回滞和良好的存储特性,编程速度高达100ns,电流ON/OFF比高达108,连续保持时间为6×104s和持续时间12个月.HRTEM分析发现在Al电极与ZnS NR间自发形成的极薄AlOx非晶层是器件产生电学开发特性的主要原因,电导-频率特性分析界面俘获和释放时间验证了器件100ns的高速响应.此外,构建的p-ZnS NR/n-Si异质结大电导比(ON/OFF106)非易失性存储器同样具有稳定,可重复的回滞和良好的存储特性,连续保持时间为1×105s持续时间6个月,研究表明电学开关特性主要是由于异质结中的界面态俘获和释放电荷所致.

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关键词：

ZnS纳米带 n、p型可控掺杂 欧姆接触 p-n 异质结 纳米场效应管 UV 探测器 非易失性存储器

学位级别：

博士

学位年度：

2013