基于Si-NPA的ZnO复合体系光电性质研究

论文摘要

多孔硅具有制备工艺简单、发光效率高、后处理与传统硅平面工艺兼容等优点，是目前最好的硅发光材料，在各种硅光电子器件和光电子集成电路（OEIC）等方面具有诱人的应用前景。通过对多孔硅发展历史的深入调研，我们发现，传统电化学腐蚀法制备的多孔硅中一些基本物理性质，例如多孔硅骨架中纳米晶的分布、量子限域对其光电性能的影响、载流子传输过程等，这些问题没有得到很好解决，很多观点还彼此相互矛盾。而搞清楚它们却是改善多孔硅的稳定性和提高硅基LED、光电探测器等光电子器件性能的基础。本文以硅纳米孔柱阵列（Si-NPA）为衬底，采用化学气相沉积（CVD）法生长了ZnO薄膜，通过对比分析Si-NPA和ZnO／Si-NPA的微观结构、光学性能、电学性能，对Si-NPA的发光性能、肖特基接触结构的载流子传输过程以及其表面阵列结构对ZnO薄膜生长的模板作用等进行了深入讨论，得到如下主要结果：1．Si-NPA的微观结构和载流子传输过程水热腐蚀方法制备的Si-NPA具有三重层次结构，即微米尺度的硅柱组成的规则阵列结构、硅柱的纳米多孔结构以及组成孔壁的硅纳米晶粒。其中，硅纳米晶呈现零维量子点状特征，在TEM图像上显示出了很高的面密度。利用硅纳米晶的化学活性和纳米孔的模板作用，我们在400℃条件下制备了一种Au纳米线和纳米晶粒组成的复合结构体系。对Ag／Si-NPA／Si／Ag二极管结构的电流-电压关系及其与温度关系的测试结果表明，载流子传输过程主要由量子隧穿电流和热电子电流两种机制决定，在高偏压区域，前者发挥主要作用，而在低偏压区域，后者发挥了主要作用。2．ZnO／Si-NPA核壳结构的光学性能以Si-NPA为衬底、用化学气相沉积法制备了具有规则阵列结构特征的ZnO／Si-NPA纳米复合体系。实验结果显示，组成ZnO／Si-NPA阵列的每个柱子均呈现核壳结构。不同于衬底Si-NPA的红光和蓝光发射，ZnO／Si-NPA在紫外光区和蓝绿光区呈现出两个强的宽发光峰。分析表明，紫外光发射应归因于ZnO晶体的带边激子跃迁；而蓝绿光发射则来自于ZnO晶体本征缺陷所形成的两类深能级复合中心上载流子的辐射跃迁。3．Zno多晶薄膜的电学性能采用化学气相沉积在Si-NPA衬底上生长了一种多晶氧化锌薄膜。研究表明，如此制备的氧化锌薄膜由平均尺寸为～10μm的氧化锌晶粒紧密堆砌而成。四电极法测量出ZnO／Si-NPA的面电阻率为～8.9Ω·cm。对ZnO／Si-NPA纵向Ⅰ-Ⅴ曲线的实验测量和理论分析表明，ZnO／Si-NPA异质结中载流子的传输过程有两种机制：在较高的电压区域由热电子发射机制主导，而在较低的电压区域由量子隧穿机制主导。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 导论
• 1.1 引言
• 1.2 多孔硅的发展历史和研究进展
• 1.2.1 多孔硅的发展历史和物理性能
• 1.2.2 PS基光电子器件的研究进展
• 1.2.2.1 发光二极管（LED）
• 1.2.2.2 光波导
• 1.2.2.3 全硅光电集成电路（OEIC）
• 1.3 PS基复合材料的研究进展
• 1.3.1 PS基金属复合材料
• 1.3.2 PS基半导体复合材料
• 1.3.2.1 氧化锌的物理性能和研究现状
• 1.3.2.2 PS基氧化锌复合材料
• 1.4 本文开展的主要工作
• 第二章 硅纳米孔柱阵列（Si-NPA）的光电特性
• 2.1 引言
• 2.2 硅纳米孔柱阵列（Si-NPA）的制备
• 2.3 Si-NPA的表面形貌和结构表征
• 2.4 Si-NPA的光学性能
• 2.4.1 Raman光谱
• 2.4.2 近红外-可见-紫外（IR-VIS-UV）吸收光谱
• 2.4.3 Si-NPA的光致发光谱
• 2.4.4 Si-NPA的电子能带结构
• 2.5 Si-NPA的电学性能
• 2.5.1 制备电极
• 2.5.2 Ag/Si-NPA/Si/Ag的电流-电压（Ⅰ-Ⅴ）关系
• 2.5.3 不同温度下的Ag/Si-NPA/Si/Ag的电流-电压关系
• 2.5.4 Ag/Si-NPA/Si/Ag的能带结构
• 2.6 基于Si-NPA模板的金纳米复合结构
• 2.6.1 制备过程
• 2.6.2 结构表征
• 2.6.3 Au纳米复合结构的生长机理
• 2.6.4 光学性能
• 2.6.4.1 UV-Vis吸收光谱
• 2.6.4.2 Raman光谱
• 2.7 本章小结
• 第三章 Si-NPA基ZnO薄膜的制备和光电性质
• 3.1 引言
• 3.2 ZnO薄膜的制备和条件优化
• 3.2.1 ZnO薄膜的制备
• 3.2.2 不同条件下制备样品的表面形貌
• 3.3 核壳结构的ZnO/Si-NPA的光电性能
• 3.3.1 结构表征
• 3.3.1.1 X射线衍射谱（XRD）
• 3.3.1.2 ZnO/Si-NPA的SEM结果
• 3.3.1.3 透射电镜（TEM）结果
• 3.3.2 ZnO/Si-NPA核壳结构的生长机理
• 3.3.3 光学性质
• 3.3.3.1 Raman光谱
• 3.3.3.2 光致发光（PL）特征
• 3.3.3.3 发光机理研究
• 3.4 生长在Si-NPA上的ZnO厚膜的性质
• 3.4.1 结构表征
• 3.4.1.1 XRD表征
• 3.4.1.2 表面形貌
• 3.4.2 ZnO/Si-NPA的电学性质
• 3.4.2.1 ZnO薄膜的电阻率测试
• 3.4.2.2 ZnO/Si-NPA/Si的电流-电压关系
• 3.5 本章小结
• 第四章 结论
• 参考文献
• 附录
• 致谢