ZnO/Si异质结的光电转换特性研究

利用直流反应溅射方法在p型Si衬底上生长掺Al的n型ZnO薄膜,测量了由n型ZnO薄膜和p型Si衬底组成的异质结在黑暗和光照条件下的I-V特性,结果表明该异质结具有优良的整流特性,而且在光照条件下的反向电流迅速增大并很快趋于饱和.通过测量ZnO薄膜的光电流和异质结的光电压的光谱响应,初步分析了异质结的光电转换机理.测量结果显示,在入射光波长为380nm时光电流强度明显下降,反映出光电流与ZnO薄膜禁带宽度的密切关系;同时还发现,在与ZnO禁带宽度相对应的波长前后所产生的光生电压方向相反.推测这一现象与异质结的能带结构密切相关. 关键词： ZnO薄膜 异质结 光电转换 光谱响应     

以Au为缓冲层在Si衬底上生长ZnO薄膜

采用化学气相沉积(CVD)方法在Si(001)衬底上分别制备了有金属Au缓冲层以及无Au缓冲层的ZnO薄膜。其中Au缓冲层在物理气相沉积(PVD)设备中蒸发,厚度大约为300nm。有Au缓冲层的ZnO薄膜晶体质量比直接在Si衬底上生长有了显著提高。利用X射线衍射(XRD)研究了所生长ZnO薄膜的结晶质量,有Au缓冲层的ZnO薄膜虽然仍为多晶,但显示出明显的择优取向。用光学显微镜研究了ZnO薄膜的表面特征,金属Au缓冲层显著地提高了在Si衬底上生长的ZnO薄膜的晶粒尺寸及平整度。同时利用室温光致发光(PL)谱研究了ZnO薄膜的光学性质,并分析了有Au缓冲层的ZnO薄膜NEB发光峰强度反而弱的可能原因。     

低温缓冲层对氧化锌薄膜质量的影响

利用金属有机化学气相沉积(MOCVD)法,在Si衬底上外延生长ZnO薄膜。为了改善氧化锌薄膜的质量,首先在Si衬底上生长低温ZnO缓冲层,然后再生长高质量的ZnO薄膜。通过XRD、SEM、光致发光(PL)光谱的实验研究,发现低温ZnO缓冲层可有效降低ZnO薄膜和Si衬底之间的晶格失配以及因热膨胀系数不同引起的晶格畸变。利用低温缓冲层生长的ZnO薄膜的(002)面衍射峰的强度要比直接在Si上生长的ZnO薄膜样品的高,并且衍射峰的半高宽也由0.21°减小到0.18°,同时有低温缓冲层的样品室温下的光致发光峰也有了明显的增高。这说明利用低温缓冲层生长的ZnO薄膜的结晶质量和光学性质都得到了明显改善。     

ZnO/P-Si异质结的光电特性研究

利用脉冲激光沉积方法在P-Si(100)衬底上生长ZnO薄膜,制备ZnO/P-Si异质结,研究衬底温度对异质结光电特性的影响.结果表明,在400℃,500℃,550℃和600℃下生长ZnO制备的异质结都有一定的整流特性,反向暗电流随着衬底温度的升高略有增加,在550℃下制备的样品具有最明显的光电效应.ZnO/P-Si异质结对可见光和紫外光呈现出不同的响应性.在可见光照射下,光电流随反向偏压急剧增大,偏压增大到某一值时,光电流增速变小,而在紫外光下,光电流有逐渐增大的趋势.根据ZnO的透射谱认为,可见光和紫外光是异质结不同的耗尽区诱导电子-空穴对产生光电流的.     

SiC缓冲层对Si表面生长的 ZnO薄膜结构和光电性能的改善

用脉冲激光沉积(PLD)技术制备了ZnO/SiC/Si和 ZnO/Si薄膜并制成了紫外探测器。利用X射线衍射(XRD),光致发光(PL)谱,I-V曲线和光电响应谱对薄膜的结构和光电性能进行了研究。实验结果表明:SiC缓冲层改善了ZnO薄膜的结晶质量和光电性能,其原因可能是SiC作为柔性衬底能够减少ZnO与Si 之间大的晶格失配和热失配导致的界面缺陷和界面态。     

水热反应中籽晶层对ZnO纳米棒的影响

以Zn(NO3)2·6H2O/HMT为反应物,通过低温水热反应过程,在籽晶衬底上制备了ZnO纳米棒,分别用场发射扫描电子显微镜和X射线衍射仪对ZnO纳米棒形貌与晶体结构进行了表征,并研究了不同方法制备的ZnO籽晶层以及籽晶层厚度对ZnO纳米棒形貌及结晶质量的影响.结果表明磁控溅射籽晶衬底上生长的ZnO纳米棒结晶质量最好,而籽晶层的厚度对ZnO纳米棒的垂直取向性有一定的影响.     

AlN缓冲层对ZnO薄膜质量的影响

采用脉冲激光沉积法以AlN为缓冲层在Si(100)衬底上制备了ZnO薄膜,并测量了样品的XRD谱、SEM图和PL谱.结果表明,AlN缓冲层可以提高Si衬底上外延生长ZnO薄膜的晶体质量.改变缓冲层的生长温度(50～500 ℃)所制备样品的测量结果表明,较低温度下生长的AlN缓冲层有利于制备高质量的ZnO外延层薄膜,其中AlN缓冲层生长温度为100 ℃时外延生长ZnO薄膜晶体质量最好.     

紫外光电材料ZnO的反应溅射制备及研究

采用直流反应溅射法分别在Si(111),Si(001),及K4玻璃衬底上制备ZnO薄膜,研究了氧氩比、衬底温度以及退火处理对于晶体结晶质量的影响,发现生长过程中的退火处理提高了薄膜质量和晶面取向.通过优化生长条件,在衬底温度为350℃,氧氩比为1:2的条件下生长出了XRD半高宽为01°、C轴取向高度一致的ZnO薄膜.     

退火对ZnO薄膜晶体结构和ZnO/p-Si异质结光电性质的影响

采用脉冲激光沉积方法在p-Si(100)衬底卜牛长ZnO薄膜,分别在500℃、600℃和700℃下真空退火,采用X射线衍射仪研究了退火对ZnO薄膜品体结构的影响,并测量了ZnO的面电阻和ZnO/p-Si异质结的、I-V特性曲线.研究表明,随着退火温度的升高,ZnO的(002)衍射峰强度逐渐增大,半峰全宽不断减小,同时薄膜内应力减小,ZnO晶粒尺寸变大.表明高温退火有助于ZnO薄膜结晶质量的提高.在没有光照的条件下,异质结的漏电流随退火温度的增加而增大;用650 nm光照射样品时,600℃退火的样品表现出最明显的光电效应,而过高的退火温度会破坏ZnO/p-Si异质结的界面结构,使其光电流变小.所以,要得到性能良好的光电器件,应选取适当的退火温度.     

衬底位置对化学气相沉积法制备的磷掺杂p型ZnO纳米材料形貌和特性的影响

采用化学气相沉积方法,在无催化剂的条件下,通过改变衬底位置在Si(100)衬底上制备出了高取向的磷掺杂ZnO纳米线和纳米钉.测试结果表明,当衬底位于反应源上方1.5 cm处时,所制备的样品为钉状结构,而当衬底位于反应源下方1 cm处时样品为线状结构.对不同形貌磷掺杂ZnO纳米结构的生长机理进行了研究.此外,在ZnO纳米结构的低温光致发光谱中观测到了一系列与磷掺杂相关的受主发光峰.还对磷掺杂ZnO纳米结构/n-Si异质结I-V曲线进行了测试,结果表明,该器件具有良好的整流特性,纳米线和纳米钉异质结器件的开启电压分别为4.8和3.2 V.     

氧化锌薄膜光电功能材料研究的关键问题

氧化锌薄膜光电功能材料是近年来新发展起来的研究课题,由于它在短波长光电信息功能材料方面具有潜在的应用前景而备受关注.为了开发ZnO结型光电器件,目前首先需要解决高质量ZnO单晶薄膜的外延及p型掺杂等关键问题.综合国内外的研究结果,结合我们的工作,叙述了利用多晶格匹配原理通过过渡层在Si衬底上异质外延高质量ZnO薄膜,介绍了用SiC作过渡层生长ZnO薄膜的有关问题.对ZnO的p型掺杂,分析了制备p型ZnO的困难和利用Ⅲ-Ⅴ族共掺杂方法生长p型ZnO的作用和优点.     

CVD法制备p-ZnO薄膜/n-Si异质结发光二极管及其性能研究

利用简单的化学气相沉积方法, 首先在n-Si衬底上生长Sb掺杂p-ZnO薄膜, 并在此基础上制作了p-ZnO/n-Si异质结发光二极管．对制备的Sb掺杂ZnO薄膜 在800 ℃下进行了热退火处理, 发现退火后样品的晶体质量和表面形貌都得到明显提高, 并且薄膜呈现的电导类型为p型, 载流子浓度为9.56× 10¹⁷ cm^-3. 此外, 该器件还表现出良好的整流特性, 正向开启电压为4.0 V, 反向击穿电压为9.5 V. 在正向45 mA的注入电流条件下, 器件实现了室温下的电致发光. 这说明较高质量的ZnO薄膜也可以通过简单的化学气相沉积方法来实现, 这为ZnO基光电器件的材料制备提供了一种简单可行的方法. 关键词： CVD p-ZnO 异质结 电致发光     

Synthesis and characterization of Al-N codoped p-type ZnO epitaxial films using high-temperature homo-buffer layer

Al-N codoped p-type ZnO thin films have been prepared by DC magnetron reactive sputtering reproducibly using a high-temperature (HT) homo-buffer layer. The influence of HT buffer layer deposition time (T_ht) on film properties was investigated by X-ray diffraction (XRD), scanning electron micro-spectra (SEM) and Hall measurement. The Al-N codoped ZnO film was improved evidently in its crystal quality by varying the value of T_ht. Results of Hall effect showed that all of the Al-N codoped ZnO thin films were p-type conduction and had resistivity mainly below 50 Ω cm. The optimum deposition time of HT buffer layer is around 3 min from the comprehensive consideration of structural, electrical, and optical properties. The obtained ZnO thin film can meet the need of application in optoelectronic devices based on ZnO.     

As-doped p-type ZnO films grown on SiO2/Si by radio frequency magnetron sputtering

p-Type ZnO:As films with a hole concentration of 10¹⁶-10¹⁷ cm⁻³ and a mobility of 1.32-6.08 cm²/V s have been deposited on SiO₂/Si substrates by magnetron sputtering. XRD, SEM, Hall measurements are used to investigate the structural and electrical properties of the films. A p-n homojunction comprising an undoped ZnO layer and a ZnO:As layer exhibits a typical rectifying behavior. Our study demonstrates a simple method to fabricate reproducible p-type ZnO film on the SiO₂/Si substrate for the development of ZnO-based optoelectronic devices on Si-based substrates.     

Photovoltaic performance of Gallium-doped ZnO thin film/Si nanowires heterojunction diodes

In this work, photovoltaic performance of Ga-doped ZnO thin film/Si NWs heterojunction diodes was investigated. Highly dense and vertically well-aligned Si NW arrays were successfully synthesised on a p-type (1?0?0)-oriented Si wafer through cost-effective metal-assisted chemical etching technique. Ga-doped ZnO thin films were deposited onto Si NWs via radio frequency magnetron sputtering to construct three-dimensional heterostructures. Photovoltaic characteristics of the fabricated diodes were determined with current density (J)–voltage (V) measurements under simulated solar irradiation of AM 1.5 G. The optimal open-circuit voltage, short-circuit current density, fill factor and power conversion efficiency were found to be 0.37 V, 3.30 mA cm^?2, 39.00 and 0.62%, respectively. Moreover, photovoltaic diodes exhibited relatively high external quantum efficiency over the broadband wavelengths between 350 and 1100 nm interval of the spectrum. The observed photovoltaic performance in this study clearly indicates that the investigated device structure composed of Ga-doped ZnO thin film/Si NWs heterojunctions could facilitate an alternative pathway for optoelectronic applications in future, and be a promising alternative candidate for high-performance low-cost new-generation photovoltaic diodes.     

氧分压对PLD制备ZnO薄膜结构和发光性质的影响

采用脉冲激光沉积(PLD)技术,在Si(100)衬底上制备出高度c轴取向的ZnO薄膜。通过X射线衍射(XRD)谱,扫描电镜(SEM)和室温光致发光(PL)光谱的测量,研究了生长气氛压强的改变对薄膜结构和光致发光的影响。实验结果表明,当氧压从10Pa升高到100Pa时ZnO(002)衍射峰的半峰全宽(FWHM)增大。可以认为这是由于较高的氧压下,到达衬底表面的离子动能减小。这样部分离子没有足够的能量迁移到生长较快的(002)面,c轴取向变差,导致(002)衍射峰的强度降低,半峰全宽增大。随着氧压增大,紫外发光强度增强。这可能是氧压变大,薄膜的化学配比升高,说明化学配比对UV发光的影响要大于薄膜微结构的影响。改变氧气压强对薄膜的表面形貌也有较大的影响。     

扩散掺杂的p型ZnO薄膜的光学性质研究

采用原子层沉积技术(atomic layer deposition)在InP衬底上生长ZnO薄膜,并在不同温度下(500和700 ℃)进行热退火处理,将P掺杂进入ZnO,得到p型ZnO薄膜。样品的光学特性通过光致发光光谱(photoluminescence, PL)来测定,得出热退火温度是影响P扩散掺杂的重要因素,低温PL光谱中,700 ℃热退火1 h样品的光谱展现出四个与受主相关的发射峰：3.351,3.311,3.246和3.177 eV,分别来自受主束缚激子的辐射复合(A°X)、自由电子到受主的发射(FA)、施主受主对的发射(DAP)以及施主受主对的第一纵向声子伴线(DAP-1LO),计算得到受主束缚能为122 meV,与理论计算结果一致。通过热扩散方式实现了ZnO薄膜的p型掺杂,解决了制约ZnO基光电器件发展的主要问题, 对ZnO基半导体材料及其光电器件的发展有重要意义。