基于氧化物纳米线阵列的异质结紫外探测器的研究

A low temperature polar interfacial reaction method was adopted to grow well-aligned ZrxTi1-xO2 nano-wire array which was subsequently used together with SrTixZr1-x O3 solid solution nano-film to fabricate visible-blind、solar-blind heterojunction UV detectors. By controlling the contents of each component, both the band gap of base material and the heterojunction characteristics are well adjusted. Thus low dark current and adjustable response range could be obtained. Furthermore, the one-dimensional nanowire structure not only speeds up the transportation of the carriers along the straight conduction pathways, enlarging the contacting interface between ZrxTi1-xO2 nano-wire and SrTixZr1-xO3 film, but also decreases the recombination probability of the photogenerated electron-hole. This technology can not only low down the response time, improve the responsivity of the device greatly, but also provide an effective way in researching the efficient UV detector. It is anticipated that the absorption edge of the device should be adjustable in 310-380 nm, the dark current of the devices will be less than 1nA under 5V bias,the responsibility will be larger than 600A/W under 260 nm UV light, and the respons time will be less than 4ms.

以极性界面水解法生长的ZrxTi1-xO2纳米线阵列为基底材料，使之与SrTixZr1-xO3固溶体纳米薄膜相结合，来研制探测范围可调的日盲、可见盲型异质结宽禁带半导体紫外探测器，以解决目前器件响应恢复时间长、吸收边调节困难、暗电流大的难题。通过对基底材料组分、结构的控制，改变材料的禁带宽度和器件异质结的特性，从而降低暗电流，实现对频率响应范围的调节。利用一维纳米材料的结构特性，为载流子的定向传输提供导向作用，增大构成异质结的ZrxTi1-xO2纳米线阵列与SrTixZr1-xO3相互接触的结面积，同时充分发挥纳米线的限域作用，减少载流子的复合几率，使器件在获得较快响应速度的同时，具有高的响应度，为探索高效的紫外探测器件结构提供新的解决思路。预计器件吸收边在310-380nm可调，5V偏压下暗电流小于1nA，在260nm处响应度600A/W，响应时间小于4ms。

目前能够应用在紫外探测器上的材料发展极为迅速，已经由第一代半导体硅、第二代半导体砷化镓、磷化铟等过渡到宽禁带化合物半导体等材料，再逐渐扩展到一些物理化学性能优越的新型多元复合材料等。这些新型复合材料结合了多种宽禁带半导体材料的优点，具有更加优异的光电性能、热稳定性以及更加宽的光谱响应范围，在制备高性能的新型紫外光电探测器方面显示出潜在的应用价值。因此深入探讨这些复合材料在光电探测领域的工作机制和器件工艺技术具有非常重要的意义。.本项目采用极性界面水解法在透明衬底上生长一维取向的ZrxTi1-xO2固溶体纳米线阵列，以溶胶凝胶法制备性质稳定的SrTixZr1-xO3溶胶，通过调整材料各组分的配比改变基体材料的紫外吸收边和禁带宽度；然后，将SrTixZr1-xO3钙钛矿溶胶以旋涂法涂到ZrxTi1-xO2固溶体纳米线阵列上，经过热处理，使纳米线和纳米薄膜之间形成合适的异质结结构。项目主要完成工作如下：.(1) 固溶体纳米线阵列材料制备及表征.采用极性界面水解法定向生长出适于紫外线强度测试仪用的ZrxTi1-xO2固溶体纳米线阵列，研究材料的物理化学特性，研究了试剂用量、反应时间等对纳米线长度、直径、结晶情况和疏密程度等参数的影响，为达到器件的要求提供合适的材料。.(2) 紫外吸收边和禁带宽度的调节.通过研究反应物投料比和产出比，得到不同配比的ZrxTi1-xO2、 SrTixZr1-xO3固溶体复合材料，并利用XRD，UV-visble，AFM，SEM，XPS等手段对各个材料进行了表征。研究出不同配比对材料的禁带宽度和紫外吸收边的影响，为异质结的形成与调节提供了有效途径。.(3) 异质结的构成与调节.通过溶液旋涂法在ZrxTi1-xO2固溶体纳米线阵列中引入SrTixZr1-xO3纳米薄膜形成异质结构，并对异质结特性进行了研究。ZrxTi1-xO2与SrTixZr1-xO3具有较高的晶格匹配度，能够形成良好的异质结，使光生载流子有效分离，减少电子空穴复合几率并延长了载流子的寿命，为得到更高光电性能紫外光探测器提供了新的方法。.(4)器件的制作与性能测试.通过大量实验，确定了器件制作的最佳工艺条件，制作出背入射式紫外探测器。建立了紫外探测器的光学测试系统，对器件的暗电流、光电流、响应时间、光谱响应进行了测试。