ZnOCuPc光电二极管特性研究.docx
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ZnOCuPc光电二极管特性研究
毕业设计
题目ZnO/CuPc光电二极管特性研究
学生姓名王乐学号1210064080
所在院系物理与电信工程学院
专业班级电信1203
指导教师袁兆林
完成地点博远楼C1009
2016年5月10日
ZnO/CuPc光电二极管特性研究
作者:
王乐
(陕西理工学院(物电学院)电子信息科学与技术专业2012级,陕西汉中723000)
指导教师:
袁兆林
[摘要]纳米材料本身具有独特的性能、尺寸和广泛的应用前景备受人们关注,到目前为止,有关纳米材料已出现大量的报道,然而纳米材料是一个庞大的领域,仍旧有很多可以拓展和探索的空间。
采用简单、便捷、成本低的方法制备纳米材料,人们追求的主要目标是把它们应用到相关领域且发挥最大价值,在这方面仍需要开展大量研究、探索和解决许多相关问题。
本文主要采用化学回流的方法制备ZnO纳米颗粒并与有机化合物CuPc混合制作光电二极管,研究了它的工作状态以及影响条件。
有机/无机混合光电子器件是一个有兴趣的领域。
使用制得的ZnO纳米颗和酞菁铜混合,制备一种光电二极管,研究了它们在光照和暗态下的性能。
结果显示在暗态下和不同光照强度下J-V特性都显示出较好的整流特性。
[关键字]纳米材料光电二极管Zno纳米粒
StudyonpropertiesofZnO/CuPcphotodiode
Author:
WangLe
(Grade12,Class03,MajorElectronicinformationscienceandtechnology,InstituteofphysicalelectricalDept.,ShaanxiUniversityofTechnology,Hanzhong723000,Shaanxi)
Tutor:
YuanZhaoLin
Abstract:
Alotofattentionhasbeendrawntonanomaterialsduetotheiruniquesizesandpropertiesaswellaspotentialapplications.Uptillnow,alargenumberofreportsonnanomaterialshavebeenavailable,however,nanomaterialisatremendousresearchfield,andthereisstillabigroomtobeexploredandexpanded.Oneofthemostimportanttargetsthatfabricatednanomaterialsusingsimpleandlow-costtechniqueswillbeappliedintheirrelatedfields,agreatnumberofworkswillstilldemandtobecarriedout,andmanyrelatedproblemsarenecessarytobesolvedinthisarea.
Inthisdissertation,severalsmall-moleculeorganicnanomaterialsandZnOnanomaterialswithlow-dimensionalnanostructureswerefabricated,theiropticalpropertieswereinvestigated.
Theinorganic/organichybridoptoelectronicdeviceisaninterestingfield.Wefabricatedsixphotodiodesusingas-preparedZnOnanoparticlesandwell-alignedZNWAscombinedwithCuPcrespectively,theircharacteristicsindarkandunderilluminationwereinvestigatedindetail.TheresultsshowedthattheirJ-Vcharacteristicsindarkandundervariousilluminationintensityexhibitedgoodrectifyingbehaviors.
KeyWords:
Znonanoparticlesphotodiodenanomaterial
目录
引言1
1纳米材料基本性质1
1.1纳米材料概述1
1.2纳米材料的特性1
1.3纳米材料分类2
1.4纳米材料性质2
1.4.1光学性质2
1.4.2磁学性质3
1.4.3电学性质3
1.5纳米材料应用3
2光电二极管概述3
2.1光电二极管基本原理3
2.2光电二极管的种类4
2.2.1硅光电二极管4
2.2.2PIN光电二极管5
2.2.3雪崩光电二极管(APD)5
2.3光电二极管的几个重要参数5
3实验部分6
3.1实验内容6
3.1.1材料、溶剂和衬底6
3.1.2器件的制备7
3.2实验结果分析与讨论8
3.2.1有机薄膜的吸收光谱8
3.2.2ITO与纳米ZnO之间电学接触8
3.2.3器件性能分析9
4结论总结10
5发展与展望11
参考文献12
引言
光电二极管[1]是光电子器件中非常重要的器件之一,可以广泛应用于光电转换、光电检测和光电探测等相关领域。
普通二极管和光电二极管基本一样,区别在于光电二极管是实现光信号转换为电信号,主要是由半导体p-n结的光电效应实现的。
光电二极管类型主要有包括金属-半导体二极管、p-i-n二极管和p-n结二极管[2]等几种,目前它们大部分都是用无机半导体材料制备,如:
GaAs、SiC和Si等,尽管用这些材料制作的光电二极管有较好的性能,但是也存在一些不足,例如:
需要工艺复杂、贵重设备和高温等,从而造成光电二极管成本比较高,局限它们在未来进一步发展和应用。
采用新的半导体材料实现高性能、低成本光电二极管是目前和未来主要研究目标之一,目前ZnO[3-5]就是一种被广泛研究和应用的新的半导体材料,本身ZnO就是一种良好的n型半导体,目前要得到良好p型ZnO还有一定的难度,所以得到良好的ZnO同质结还有一定的困难,同时由于ZnO是一种直接宽带隙半导体,它只对波长小于400nm的紫外光有强烈的吸收,因此采用ZnO同质结难以制备出红外和可见光光电二极管,基于这些因素,人们拓展思维,用ZnO和其它p型半导体混合来得到ZnO异质结,目前,已经报道了ZnO/p-GaN、ZnO/p-Si和ZnO/有机p型半导体[1-6]等混合异质结。
令人感兴趣的是,用纳米ZnO和有机p型半导体混合异质结可以获得高性能、低成本光电二极管,其原因是:
一纳米ZnO具有独特的结构,有良好的光电特性和很大的表面积等,并且随着人们对纳米ZnO深入研究,采用低成本的制备方法来获得各种纳米结构ZnO[7-9];二是有机p型半导体具有成本低、很大的光吸收常数、重量轻、种类多等优点。
光电二极管要实现光信号转换为电信号的的功能,主要是由p-n结的光电效应实现,然而,它是怎样把光信号转换成电信号的呢?
下面就p-n结型光电二极管为例,说明光电二极管的工作原理。
当p型半导体和n型半导体接触后,由于两侧半导体中同种载流子浓度相差很大,载流子会向对方的区域进行扩散,空穴从p区扩散到n区,在p区一侧留下未被补偿的受主离子;同样,电子从n区扩散到p区,在n区一侧留下未被补偿的施主离子,因此n区一侧存在正空间电荷,p区一侧存在负空间电荷,两种电荷存在使得整个过渡区存在内电场,电场的方向与扩散电流方向相反,电场引起的漂移电流的方向也与扩散电流方向相反,在平衡状态下,漂移电流与扩散电流相等,p-n结不存在净电流,这就形成了一个p-n结二极管。
在光照下,在p-n结耗尽层两侧是没有电场的中性区,由于热运动,部分光生空穴和电子通过扩散运动可能进入耗尽层,然后在电场作用下,形成和漂移电流相同方向的扩散电流。
漂移电流分量和扩散电流分量的总和即为光生电流。
当与n层和p层连接的外电路开路时,便在两端产生电动势,这种效应称为光电效应。
当连接的外电路闭合时,p区的过剩空穴通过外部电路流向流向n区,n区的过剩电子通过外部电路流p向区。
便形成了光生电流。
当入射光变化时,光生电流随之发生变化,从而把光信号转换成电信号。
这种由p-n结构成,在入射光作用下,由于吸收光而产生的电子-空穴对的运动,在闭合回路中形成光生电流的器件,就是简单的光电二极管。
1纳米材料基本性质
1.1纳米材料概述
纳米材料是指它至少有一维处于纳米尺度范围(1-100nm)或者由它作为基本单元来构成的材料。
1.2纳米材料的特性
由于纳米材料具有特殊尺度,它可能会表现出一些独特效应,主要有:
1表面效应;2小尺寸应;3库仑阻塞与量子遂穿效应;4介电限域效应;5量子限域效应;6宏观量子隧道效应。
在这里我们简单介绍一下纳米材料这些效应。
表面效应。
一般情况下,随粒径变小,纳米晶粒表面上的原子数与晶粒总原子数之比急剧增大由此引起它的性质上的变化。
比如,当粒径为10nm时,表面原子数大约为整个晶粒总原子数20%;如果粒径减小到1nm时,其表面原子数增大到约为整个晶粒总原子数99%。
表面原子数大量增加,比表面积变大,造成原子配位不足,导致表面出现大量的悬空键和不饱和键,表面能大大升高,表面原子具有很高的活性,极不稳定,容易与其它原子结合。
小尺寸效应。
当纳米体系体积变小时,两种情况可能发生:
一是纳米体系本身性质发生改变。
当纳米体系的尺寸等于或小于德布罗意光波波长、透射深度或超导态的相干长度时,它的晶体周期性边界条件遭到破坏,其电、光、力学等特性会明显改变;二是纳米体系本身性质不变化,那些与体积相关的性质发生明显变化,例如,纳米体系的半导体电子自由程变小。
库仑阻塞与量子遂穿效应。
当某个体系处在纳米尺度,它的电荷是量子化的,充入一个电子需要能量为e2/2C(C为体系电容,e为电子电荷),这个能量就称库仑阻塞能,它会导致体系中的电子逐个的进行单电子输运,这就是库仑阻塞效应。
如果两个量子点由一个“结”连起来,一个量子点上的单电子越过能垒到达另外一量子点上,这就是量子隧穿。
利用这两种效应可发展新型纳米结构器件。
介电限域效应。
采用小介电常数的介质,在半导体纳米材料表面上修饰一层,修饰过的纳米材料,其电荷载体产生的电力线更加容易穿透修饰介质,导致屏蔽效应减弱,带电粒子间的库仑力增强,造成它的激子的结合能和振子强度都增强,相比没修饰过的纳米材料,它的光学性质有很大的变化,这就是介电限域效应。
目前,一些氧化物半导体纳米材料的明显介电限域效应已被发现。
量子限域效应。
如果纳米材料的晶粒的尺度很小,为纳米尺度,它的电子能带结构形成准分立能级,能隙变宽,这就是量子限域效应。
纳米材料由于它会显示出一些独特的光电特性。
宏观量子隧道效应。
如果微观粒子总的能量小于某个势垒高度,微观粒子还能贯穿这一势垒,这就是隧道效应。
近几年来,人们发现:
一些宏观量,如,量子相干器件中的磁通量、微粒的磁化强度等,也具有隧道效应,称为宏观量子隧道效应。
正是由于纳米材料具有这些效应和新奇的特性,表现出一些独特的物化性质,吸引人们大量开发和应用纳米材料,这为科学的发展和社会的进步创造了美好的前景。
1.3纳米材料分类
纳米材料一般可以按照以下几个方面来分类:
1.按照材料的种类来分,纳米材料可分为:
无机纳米材料。
主要包括:
金属,如Au、Ag、Cu等;单质半导体,如Si、Ge等;化合物,如
GaAs、ZnS、CdSe、ZnO等;复合物,如TiO2-CdSe、CdSe-ZnS、ZnO-CdS等。
有机小分子纳米材料。
高分子或聚合物纳米材料。
按照纳米材料结构形貌分类,纳米材料可分为:
零维,如纳米颗粒、纳米团簇等。
一维,如,纳米线、纳米纤维、纳米棒和纳米管等。
二维,如,纳米薄膜。
三维,如,纳米陶瓷、纳米玻璃、纳米笼。
其中零维和一维属于低维。
由于低维纳米材料具有独特的几何结构、容易制备和广泛的应用前景等特点,因此,当前纳米材料研究主要集中在低维纳米材料。
1.4纳米材料性质
1.4.1光学性质
当材料的晶粒处于纳米尺度(1-100nm)时,和超导相干波长和电子平均自由程相比,它的尺寸小于或接近,表面原子数和电子数大大增加,会产生量子限域效应和表面效应,很大的影响纳米材料的光学特性,主要表现有:
蓝移现象。
具有纳米尺度的材料的光学吸收边相比体相材料的会发生蓝移,这种现象可解释如下:
一是表面效应。
由于纳米材料晶粒尺寸小,具有很大的表面张力,使它的晶格畸变和晶格常数变小;二是量子限域效应。
由于纳米材料晶粒尺寸小,它的光学带隙变宽,导致光学吸收边蓝移。
宽频带强吸收。
由于纳米材料晶粒尺度小,对可见光的反射非常低,对光的吸收增强。
同时,在纳米材料中,存在较宽的键振动模分布,对红外吸收的频率存在较宽的分布,纳米材料红外吸收呈现带宽化。
发光峰的变化。
纳米材料的发光是近年来研究较活跃的一个领域。
通常,相比它的体相或者单体,纳米材料发光有很大的不同,如,发光峰位置移动、新的发光峰出现、强度增大或减小,甚至湮灭等。
主要通过杂质能级和缺陷能级、量子限域效应、电子跃迁的选择定则等理论来解释。
1.4.2磁学性质
纳米材料的磁结构不同于其块体和单体,在块体材料中,磁结构为许多磁畴构成,实现磁化是通过磁畴之间畴壁运动。
而纳米材料中,它的晶粒尺度小到某一值时,晶粒是单磁畴结构,矫顽力大大增加,明显改变了磁性纳米材料的磁有序状态。
1.4.3电学性质
由于许多半导体纳米材料的应用取决于它们的电学性质[10-12],因此,近年来,半导体纳米材料的电学性质成为研究的焦点,例如,在本征半导体纳米材料中进行掺杂,提高其电学性质或实现导电类型的转变,这些改变可能促进它们广泛应用一些领域。
此外,发现部分纳米材料巨磁阻现象,把它们放入磁场中,其电阻下降可达到50%-80%,而发现其它材料基本不下降。
1.5纳米材料应用
纳米材料由于具有一些独特性质,如何把它的独特性质应用到相关领域,是近年来研究的重中之重,到目前,纳米材料已经被证实在许多领域有广泛的应用前景,下面介绍纳米材料几种常见的应用。
在信息产业中的应用[13]。
进入21世纪,信息产业日新月异。
信息产业在国内外都具有重要的地位。
近年来,信息产业得到快速发展,其中把纳米材料应用于信息产业成为一个亮点,纳米材料应用在信息产业主要有两方面:
①网络通讯中的关键纳米器件,比如,在网络通讯中,常用的谐振器、过滤器和激光器等;②采用分子电子器件、光电子器件和巨磁电子器件等纳米器件。
这些器件能提高网络和通信的质量,减小体积和降低成本等。
在生物医药中的应用[14]。
主要有两个方面:
1.在药物方面,可在纳米材料的尺度上,利用原子或分子的排布,制造出具有特定功能的药品,纳米材料的粒子掺入药物中,使得药物在人体中方便和有效输运;2.治疗方面,纳米粒子尺寸小,能自由运动在人体血液中,因此,可将纳米粒子注入人体血管中,进行全身检查和治疗,例如,利用纳米粒子疏通脑血管中的血栓、吞噬病毒、杀死癌细胞等。
在能源和环境保护中的应用[15]。
当前,能源危机、过量开发和使用石油、煤炭、天然气等化石能源,造成大气污染、环境严重破坏等,这些都是世界各国当前面临的最突出难题,合理利用传统的化石能源、开发新能源等是世界各国当前和今后一项非常重要的任务。
在合理利用传统的化石能源方面,纳米材料可做成净化剂量和助燃剂,加入化石能源中,使得它们可以充分燃烧,并且在燃烧过程中还可以自循环,减少污染排放,不再需要辅助装置;在开发新能源方面,利用纳米材料做成获取能源的器件或装置,可以使得某种能源转化成电能,例如,太阳能转化电能、热能转化电能,化学能转化电能等。
2光电二极管概述
2.1光电二极管基本原理
光电二极管是一种光电变换器件,其基本原理是光照到PN结上时,吸收光能转换成电能。
他有两个工作状态。
当光电二极管上加有反向电压时,管子中反向电流将随光照强度的改变而改变,光照强度越大,反向电流越大,大多数情况都工作在这种情况下。
光电二极管上不加电压,利用PN结在受光照时产生正向电压的原理,把它用作微型光电池,这种工作状态一般作光电检测器。
它是怎样把光信号转换成电信号的呢?
下面就p-n结型光电二极管为例,说明光电二极管的工作原理。
当p型半导体和n型半导体接触后,由于两侧半导体中同种载流子浓度相差很大,载流子会向对方的区域进行扩散,空穴从p区扩散到n区,在p区一侧留下未被补偿的受主离子;同样,电子从n区扩散到p区,在n区一侧留下未被补偿的施主离子,因此n区一侧存在正空间电荷,p区一侧存在负空间电荷,两种电荷存在使得整个过渡区内存在电场电场的方向与扩散电流方向相反,电场引起的漂移电流的方向也与扩散电流方向相反,在平衡状态下,漂移电流与扩散电流相等,p-n结不存在净电流,这就形成了一个p-n结二极管。
如图2-1所示,在光照下,在p-n结耗尽层两侧是没有电场的中性区,由于热运动,部分光生空穴和电子通过扩散运动可能进入耗尽层,然后在电场作用下,形成和漂移电流相同方向的扩散电流。
漂移电流分量和扩散电流分量的总和即为光生电流。
当与n层和p层连接的外电路开路时,便在两端产生电动势,这种效应称为光电效应。
当连接的外电路闭合时,p区的过剩空穴通过外部电路流向流向n区,n区的过剩电子通过外部电路流向p区。
便形成了光生电流。
当入射光变化时,光生电流随之发生变化,从而把光信号转换成电信号。
这种由p-n结构成,在入射光作用下,由于吸收光而产生的电子-空穴对的运动,在闭合回路中形成光生电流的器件,就是简单的光电二极管。
图2-1光电二极管的结构
2.2光电二极管的种类
2.2.1硅光电二极管
硅光电二极管的两种典型结构,其中一是采用N型单晶硅和扩散工艺,称为p+n结构。
它的型号是2CU型。
二是采用P型单晶和磷扩散工艺,称n+p结构。
它的型号为2DU型。
硅光电二极管的特性:
光谱响应特性Si光电二极管光谱响应范围:
0.4-1.1μm峰值响应波长约为0.9μm通常将其峰值响应波长的电流灵敏度作为光电二极管的电流灵敏度。
硅光电二极管的电流响应率通常在0.4-05μA/μW。
伏安特性由图可见,在低反压下电流随光电压变化非常敏感。
这是由于反向偏压增加使耗尽层加宽、结电场增强,它对于结区光的吸收率及光生裁流子的收集效率影响很大。
当反向偏压进一步增加时,光生载流子的收集已达极限,光电流就趋于饱和。
这时,光电流与外加反向偏压几乎无关,而仅取决于入射光功率。
光电二极管在较小负载电阻下,入射光功率与光电流之间呈现较好的线性关系。
图示出了在一定的负偏压下,光电二极管光电流输出特性。
频率响应特性:
光电二极管的频率特性响应主要由三个因素决定:
光生载流子在耗尽层附近的扩散时间;
光生载流子在耗尽层内的漂移时间;
与负载电阻RL并联的结电容Ci所决定的电路时间常数。
2.2.2PIN光电二极管
由于PN结耗尽层只有几微米,大部分入射光中性区吸收,因而光电转换效率低,响应速度慢。
为改善器件的特性,在PN结中间设置一层本征半导体(称为I),这种结构便是常用的PIN光电二极管。
PIN管的结构:
在P型半导体和N型半导体之间夹着一层本征半导体。
因为本征层相对于P区和N区是高阻区这样,PN结的内电场就基本上全集中于I层中。
I层很厚,吸收系数很小,入射光很容易进入材料内部被充分吸收而产生大量电子-空穴对,因而大幅度提高了光电转换效率,从而使灵敏度得以提高。
两侧P层和N层很薄,吸收入射光的比例很小,I层几乎占据整个耗尽层,因而光生电流中漂移分量占支配地位,从而大大提高了响应速度。
I层作用:
本征层的引入,明显增大了p+区的耗尽层的厚度,这有利于缩短载流子的扩散过程。
耗尽层的加宽,也可以明显减少结电容Cj,从尔使电路常数减小。
同时耗尽加宽还有利于对长波区的吸收。
性能良好的PIN光电二极管,扩散和漂移时间一般在10-10s数量级,频率响应在千兆赫兹。
实际应用中决定光电二极管的频率响应的主要因素是电路的时间常数。
合理选择负载电阻是一个很重要的问题。
2.2.3雪崩光电二极管(APD)
PIN型光电二极管提高了PN结光电二极管的时间响应,但对器件的灵敏度没有多少改善。
为了提高光电二极管的灵敏度,人们设计了雪崩光电二极管,使光电二极管的光电灵敏度提高到需要的程度。
雪崩光电二极管是利用PN结在高反向电压下产生的雪崩效应来工作的一种二极管。
雪崩光电二极管是具有内增益的一种光伏器件。
它利用光生载流子在强电场内的定向运动产生雪崩效应,以获得光电流的增益。
在雪崩过程中,光生载流子在强电场的作用下高速定向运动,具有很高动能的光生电子或空穴与晶格原子碰撞,使晶格原子电离产生二次电子-空穴对;二次电子和空穴对在电场的作用下获得足够的动能,又使晶格原子电离产生新的电子-空穴对,此过程像“雪崩”似地继续下去。
电离产生的载流子数远大于光激发产生的光生载流子数,这时雪崩光电二极管的输出电流迅速增加。
2.3光电二极管的几个重要参数
光电二极管和普通二极管一样,不同之处是它具有光电效应[7],实现光信号转化成电信号的功能,因此,光电二极管也具有普通二极管的许多特性。
通常从以下几个重要参数评价一个光电二极管性能好坏。
1.理想因子。
它通常用来评价一个二极管的品质,有时也称品质因子,由于光电二极管首先是一个普通二极管,因此理想因子也是它的一个非常重要的参数,如果知道一个光电二极管暗态下的电流-电压特性曲线,通常它的理想因子可以用下面理想二极管方程计算出来[4]。
(2-1)
在方程中,Isat是反向偏压下的饱和电流,Vt是热电压(室温下通常取26mV),n就是二极管的理想因子,在正向偏置电压大于几十毫伏后,方程(2-1)可以化简为:
(2-2)
再对方程(2-2)的两边求自然对数,方程(2-2)可化成:
(2-3)
在小正偏置电压范围内,考虑到它的电阻影响很小,可以忽略,ln(I)-V关系曲线中存在一线性区,通过拟合这一线性区,获得在y轴上的截距和线性的斜率,可以求得Isat和n。
在二极管中,当复合电流占优势时,n=2;当扩散电流占优势时,n=1,此时二极管为理想二极管;当两种电流可以比拟时,n介于1和2之间。
(2-4)
2.整流率(RR)。
它也是表征一个二极管的重要参数,在光电二极管中,有暗态下和光照下的两种整流率,就一般光电二极管而言,暗态下和光照下的整流率越大,表示该光电二极管的性能越好。
整流率采用以下公式计算:
公式(2-4)中IF为正向偏置电压下的电流,IR为反向偏置电压下的电流,两偏置电压绝对值相等,在二极管的电流-电压特性曲线中,可以求得一系列RR值,通常取最大的RR值为二极管的整流率。
3.暗电流。
暗态情况下,加一反向偏置电压时,二极管有一个很小的电流输出,这个电流为暗电流。
主要来自二极管的漏电流,暗电流越小,表明二极管的性能越好。
4.开启电压。
开启电压是指二极管正向导通时的电
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