第 一 章 绪论
通过说明两种器件的响应工作机制,来阐述介质插入层相关的界面随穿输运,及对多纳米线集成器件稳定性的改进。本章第二节中解释了纳米线界面态相关的势皇下降和诱导的增强输运电流是纳米线Schottky结型探测器响应的机制。势垄高度受界面附件非平衡的离化电荷影响28。因为氧气吸附/解吸附过程,势皇高度呈现瞬态的变化。在多纳米线并联工作情况下,因为纳米线界面态变化,单个纳米线SchoUky 二极管在光照下的界面输运瞬时变化,而各个二极管工作在不同的界面输运状态,两者共同导致了本节所述Schottky器件响应电流的随机涨落和性能的不稳定。对于MIS器件,插入介质层减弱电子波函数,界面处没有形成Schottky结。反向偏压下,AI2O3与ZnO形成价带势全,如图4-15所示。光生载流子在倾斜的能带下分离,空穴在Al203/Zn()界面积累。一定偏压下,这些空穴可以直接險穿势全,形成光电流。随着偏压的增加,势全上部形状逐渐变为三角形,部分空穴幵始出三角势全薄的部分險穿,即F-N随穿。險穿的响应机制只与AI2O3厚度和偏压大小相关,与界面态无关。因此一定厚度和偏压下,所有纳米线的工作状态是均勾和稳定的,从而保证了器件工作的稳定性。此外,ALD过程中可能除去了纳米线表面吸附的氧气,也对减少与界面态有关的影响。由此可见,通过超薄AI2O3插入层的改进,多纳米线探测器被调制为隧穿相关的工作机制,器件性能的稳定性得到了提高。针对半导体纳米线光电子器件这一交叉领域,大量研宄进行了有益的探索。结合自上而下和自底而上概念的制备方法,用于构造半导体纳米线作为基元的器件结构,实现了许多原型器件,器件表现出特殊的电学、光学特性,影响光电子器件性能,促进了新型的纳米光电子应用。然而实现半导体纳米线光电子应用面临很多挑战:满足应用需要材料和结构优良的纳米线生长仍然是要继续研究的关键问题;纳米线器件的制备方法还缺乏可控性,缺乏对不同结构尺寸基元的兼容性;大部分器件结构和原理与传统器件没有区别,只是利用半导体纳米线作为替代的功能结构,实现传统器件可以实现的功能,没有发挥纳米线基光电子器件的特性。本论文以ZnO纳米线光电探测器为例研究,主要内容包含纳米线的生长、器件结构的制备、器件一些电学和光学特性的探讨。全文共分六章,具体内容安排如下:
第一章绪论。简介半导体纳米线光电子器件的研宄现状与发展,介绍器件自上而下和自底而上的制备概念,总结目前纳米线器件的主要器件结构,列举典型的光电子器件,介绍器件结构和纳米线基元的电学、光学特性,及其对性能的影响。最后介绍了论文的研究内容和结构安排。第二章ZnO纳米线无催化剂气相生长。从实验、表征、生长机制三个方面介绍ZnO纳米线阵列在GaN/sapphire衬底上的无催化剂气相生长,该方法避免金属催化剂对基元材料和结构的影响。第三章纳米线侧面电极结构与制备。介绍在纳米线相对侧面制备电极的方法,获得大的接触面积,有利于电学注入/抽取;研究阳极氧化铅制备的电极间绝缘)阐述其对不同尺寸纳米线的结构兼容性,检验其绝缘性能;A1和Au与ZnO纳米线分别形成欧姆和Schottky接触。第四章基于侧面电极ZnO纳米线紫外光电探测器。侧面电极结构的基础上,
构Schottky和MIS结型光电探测器;测试探测器的IV、光谱响应、时间响应、^偏压响应等特性,分析界而输运主导的响应机制;MIS探测器釆用超薄AI2O3介质插入层,形成界面隧穿输运,改善器件性能的稳定性。第五章金属-纳米线腔光学共振与光偏振态探测。实现纳米线探测器对光偏振态响应的功能,运用有限时域差分(FDTD)方法模拟和比较纳米线介质腔和金属-纳米线腔的光学振荡行为,阐述腔中光学共振对光偏振态探测性能的影响。说明金属结构对纳米线亚波长尺度的光学调控作用。第六章结论与展望。总结本论文的主要结论,并展望未来的研究工作。
第三章纳米线侧面电极结构与制备…………………….32
3.1弓丨言………………32
3.2纳米线侧面电极制备与表征………………33
第四章基于侧面电极ZnO纳米线紫外光电探测器………………43
4.1引言………………43
4.2 Schottky结型光电探测器………………44
4.2.1器件结构………………45
4.2.2光电响应特性………………46
4.2.3光电响应机制………………49
4.3 M1S结型光电探测器………………51
第五章金属-纳米线腔结构光学共振与光偏振态探测………………59
5.1弓丨言………………59
5.2光学吸收FDTD模拟………………61
结论
主要研宄结论总结如下:
1)在GaN/sapphire衬底上不使用催化剂气相生长ZnO纳米线,避免了金属催化剂对材料的无意识掺杂,纳米线顶端不存在金属催化剂颗粒的残留,适合作为光电子器件的构造基元。纤锌矿结构的纳米线阵列竖直地生长在衬底上,材料具有均匀的形貌结构、良好的结晶性、较少的材料缺陷。纳米线的生长过程包括:ZnO薄膜在GaN表面的S-K外延和纳米线VS机制的生长。外延薄膜较好地弛豫了异质材料的晶格失配,有利于获得高质量的纳米线。
2)制备了纳米线侧面电极,载流子输运经过较短的直径方向,有利于对纳米线基元的电学注入和抽取,并且兼容不同尺寸(直径数十至数百纳米)纳米线。通过转移和翻转过程,纳米线的两个侧面分别暴露,使得电极材料直接蒸镀到侧面形成电学接触,保证了电极接触的可靠性。运用阳极氧化铝制备电极间的绝缘层,离子定向迁移相关的电化学过程促使绝缘层与纳米线、电极结构自动匹配,厚度可控,具有良好的绝缘性能,小于10.5 A/cm2的漏电流密度和15 MV/cm的击穿场强。基干该侧而电极结构,有望构造性能优异的纳米线光电子器件。
3)基于纳米线侧面电极结构实现了 Schottky和MIS结型紫外光电探测器,获得r岛开关比,光响应特性与界而电学输运相关,通过调节输运性质改善了器件性能的稳定性。十?透明的Au电极与ZnO纳米线接触形成Schottky结,表I见出6000的歼关比,ZnO禁带宽度相关的截止特性,零偏压的光响应。界
参考文献
1 J. F. Wang, M. S. Gudiksea X. F. Duan, Y. Cui, and C. M. Lieber, Science 293,1455 (2001).
2 L. Y. Cao, J. S. Park, P. Y. Fan, B. Clemens, and M. L. Brongersma, Nano Letters10,1229(2010).
3 E. M. Puree 11, H. C.Torrey, and R. V. Pound, Physical Review 69,37 (1946).
4 L. Y. Cao, J. S. White, J. S. Park, J. A. Schuller, B. M. Clemens, and M. L.Brongersma, Nature Materials 8, 643 (2009).3 F. X. Gu, L. Zhang, X. F. Yin, and L. M. Tong, Nano Letters 8,2757 (2008).
6 M. Law, D. J. Sirbuly, J. C. Jo http://www.1daixie.com/bylwfw/ hnson, J. Goldberger, R. J. Saykally, and P. D. Yang,Science 305, 1269 (2004).
7 Y. Chen, Z. Ma, Q. Yang, and L. M. Tong, Optics Letters 33, 2565 (2008).
8 J. Ho mo la, S. S. Yee, and G. Ganglitz, Sensors and Actuators B-Chemical 54,3(1999).
9 W. L. Barnes, A. Dereux, and T. W. Ebbesen, Nature 424, 824 (2003).
10 D. K. Gramotnev and S. I. Bozhevolnyi, Nature Photonics 4, 83 (2010).