单分散氧化锌纳米颗粒薄膜/硅异质结的制备及其紫外光电性能

The development of new Ultraviolet (UV) detector with large photocurrent, small dark current, fast response, low energy consumption and low-cost, will have important application value and scientific significance for fields such as military, civilian. In this project, a new monodispersed zinc oxide nanoparticle thin film /Si heterojunction is prepared by magnetron sputtering technique. The monodispersed zinc oxide nanoparticle can enhance the light absorption of thin film. Nano-sized film thickness (<100 nm) can greatly shorten the response and recovery time. It has been demonstrated that under the lower ultraviolet power 0.1 mW/cm2 the response and recovery time of heterojunction is very short (<0.1 s) at the reverse bias 2 V and room temperature. Moreover, the photocurrent is higher and dark current is lower. The project will importantly (1) control microstructure of the monodispersed zinc oxide nanoparticles to improve their ultraviolet light absorption performance; (2) modulate the interface structure of monodispersed zinc oxide nanoparticle thin film/silicon heterojunction to reduce the dark current and increase photocurrent; (3) reveal the UV response mechanism of monodispersed zinc oxide nanoparticle thin film/silicon heterojunction using energy band and semiconductor theories. The objective of the project will provide theoretical guidance for the designation and development of UV detector, and set up a new way of preparation of UV detector by using monodispersed zinc oxide nanoparticle thin film/silicon heterojunction.

开发光电流大、暗电流小、响应快、能耗低、成本低廉的新型紫外光探测器对我国军事、民用等领域具有重要的应用价值和科学意义。本项目提出利用磁控溅射技术制备新型单分散氧化锌纳米颗粒薄膜/硅异质结并研究其紫外光电性能。单分散氧化锌纳米颗粒能够显著提升光吸收率；纳米膜厚（<100 nm）可以极大地缩短异质结的响应恢复时间。初步结果表明室温下异质结在反向偏压2 V、紫外光（0.1 mW/cm2）下，响应恢复时间极短（<0.1 s）且光电流大、暗电流小。本项目将重点调控单分散氧化锌纳米颗粒的微观结构提高紫外光吸收性能；调控单分散氧化锌纳米颗粒薄膜/硅异质结的界面结构减小暗电流，显著提升光电流；利用能带理论和半导体理论揭示单分散氧化锌纳米颗粒薄膜/硅异质结的紫外光敏感机制。本项目的立项和研究为设计、开发紫外光探测器提供理论指导；开辟利用单分散氧化锌纳米颗粒薄膜/硅异质结开发紫外光探测器的新途径。

开发光电流大、暗电流小、响应快、能耗低、成本低廉的新型紫外光探测器对我国军事、 民用等领域具有重要的应用价值和科学意义。本项目利用磁控溅射技术系统地研究了新型单分散氧化锌纳米颗粒薄膜/硅异质结并研究其紫外光电性能。我们利用射频磁控溅射方法制备一系列单分散ZnO纳米颗粒薄膜/p-Si异质结研究发现单分散ZnO纳米颗粒薄膜的结晶度越高，暗电流和光电流越高，同时影响单分散ZnO纳米颗粒薄膜中的氧空位浓度，而氧空位作为施主杂质存在于n型单分散ZnO纳米颗粒薄膜中，即构成n-n同质掺杂，并研究了该类异质结的光电探测能力。结果表明，单分散ZnO纳米颗粒薄膜/p-Si异质结具有稳定的、可重复的光响应行为，具有适当浓度氧空位的单分散ZnO纳米颗粒薄膜/p-Si异质结表现出最低的暗电流以及最优的性能，其综合性能优于已报道的大多数ZnO薄膜/Si异质结。当光功率密度为0.1 mW/cm2时，器件的R、D*和S分别为3.5 A/W、3.6×1012 Jones和1.2×106 cm2/W。 .单分散ZnO纳米颗粒薄膜/p-Si异质结具有最优光响应性能原因在于：（1）单分散ZnO纳米颗粒薄膜表面具有较高的粗糙度，能够有效减少反射光，提高光吸收能力；（2）通过改变磁控溅射参数能够调控单分散ZnO纳米颗粒薄膜的结晶度，单分散ZnO纳米颗粒薄膜的结晶度越高，暗电流和光电流越高；（3）通过改变磁控溅射参数能够调控单分散ZnO纳米颗粒薄膜中的氧空位浓度。氧空位能够在ZnO中实现同质掺杂，同质掺杂策略能够有效地减少ZnO中的少数载流子浓度，降低异质结的暗电流。本项目的研究为设计、开发紫外光探测器提供理论指导；开辟利用单分散氧化锌纳米颗粒薄膜/硅异 质结开发紫外光探测器的新途径。