掺氧锆石/硅光电二极管的制备及其光电性能研究

《Optical Fiber Technology》：Fabrication of Os-doped ZnO/p-Si photodiodes and investigation of their optoelectrical properties

　　

摘要

本研究通过溶胶-凝胶旋涂技术，在玻璃和p型硅基底上制备了未掺杂及掺氧钆的氧化锌薄膜，系统研究了其结构、表面形态、光学及电学特性。研究结果表明，晶粒尺寸与氧钆掺杂量之间不存在线性关联。未掺杂氧化锌的晶粒最大尺寸为32纳米。3%氧钆掺杂的氧化锌薄膜结构最为均匀，其光学带隙从3.25电子伏特降低至3.21电子伏特。通过系统的I-V和C-V测试，研究了铝/氧钆:氧化锌/p型硅异质结器件的电学性能。为评估光响应特性，还在不同光照强度下记录了电流-电压特性。I-V分析显示理想因子相对较高，且随氧钆含量增加而降低，而整流比则逐渐上升。此外，虽然串联电阻会随着氧钆掺杂量的增加而上升，但势垒高度却表现出非线性变化。瞬态光电流测试进一步表明，氧钆的引入提升了器件的光敏感度。电容-电压分析显示，电容值在不同掺杂浓度下既与频率相关，也受所加偏压影响。总体而言，这些结果表明这类结构具有用于光电二极管和光电探测器应用的潜力。

引言

金属氧化物是由金属与氧结合而成的化合物，具有诸多优异性能，因此受到广泛研究，尤其是在材料科学和电子学领域[1]、[2]、[3]。金属氧化物具备多种特性，使其在技术应用中具有极高的实用性。它们的光学性质可从透明到不透明或有色不等，因而可应用于光学和光电器件中[4]。此外，它们还具备较强的化学稳定性和热稳定性，能在高温和腐蚀性环境中保持良好性能[5]。许多金属氧化物还具有显著的催化活性，可充当绝缘体、半导体或导体[6]。正是由于这些多样的电学和功能特性，金属氧化物成为材料研究领域的重点对象。在各类金属氧化物中，氧化锌、二氧化钛、氧化铜、氧化镁、氧化铈等材料已在众多文献中被研究，其物理性质也得到了大量研究[7]。其中，氧化锌因其出色的物理、化学、光学和电子特性而在文献中备受关注。氧化锌是一种宽禁带半导体，其直接带隙约为3.37电子伏特，激子结合能高达约60毫电子伏特。再加上其良好的光学透明度、紫外线吸收能力、n型导电性以及随形态变化的特性，使得氧化锌非常适合用于光电探测器及其他光电器件中[8]、[9]、[10]、[11]、[12]、[13]、[14]。在现有研究中，由于纯氧化锌无法满足某些应用需求，人们通常通过掺杂来有针对性地改善或调节其电学、光学、磁学及结构特性。引入掺杂元素是优化氧化锌功能特性的常用方法，它不仅能控制电导率和光学带隙，还能提升传感和光催化性能[12]、[15]。此外，掺杂还可能引发氧化锌的磁性，并影响其结构和形态特征[16]。大量研究表明，过渡金属掺杂是调控氧化锌结构、光学和电学特性的有效手段。尤其是5d系列过渡金属掺杂剂，如铂和金，已被证实能改变基于氧化锌的器件的诸多性能。例如，郝雷等人利用密度泛函理论研究了铂掺杂的二维氧化锌的电子结构、光学性质及水吸附行为，结果表明铂掺杂能增强对可见光的吸收并促进水分解，从而显著提升材料的光催化性能[17]。徐勇和王洪志则研究了磁控溅射法制备的氧化锌薄膜中金掺杂浓度对其结构和光学性质的影响，发现金掺杂会显著改变薄膜的晶体结构、表面形态及光学行为，且随着金掺杂浓度的增加，光学带隙和透光率也会发生变化。研究者认为，通过调整薄膜的特性，可使其更好地应用于光电器件中。还有研究探讨了氧化锌薄膜中金掺杂剂的化学状态及其对电学和光学性质的影响，结果发现金掺杂会显著改变薄膜中的载流子浓度、电导率及光学特性，同时还能提升氧化锌的电学性能，但会改变其光学性质[19]。以往的研究多集中在常见的过渡金属掺杂剂上，而氧钆掺杂的效果则几乎未被探索。之所以对氧钆关注较少，可能是由于其稀有性、较高的成本，以及目前尚缺乏关于其对氧化锌晶体结构和器件性能影响的系统性研究。不过，氧钆仍是一种颇具潜力的掺杂剂，因为其离子半径（根据氧化态不同为66.5至77皮米）与锌离子的离子半径（74皮米）相近，这意味着它有可能替代锌离子进入氧化锌晶格，进而引发结构变化。此外，氧钆的鲍林电负性高于锌，这一特性有望影响氧化锌的电子结构和光学带隙，这一观点也得到了一些含氧钆体系研究的支持[20]、[21]。尽管人们对5d系列过渡金属掺杂的氧化锌材料越来越感兴趣，但氧钆掺杂对氧化锌的结构特性、二极管性能以及基于氧化锌的光电探测器性能的影响至今仍未得到系统研究。因此，本研究旨在探究氧钆掺杂对氧化锌薄膜的影响，建立氧钆掺杂量、材料特性与光电二极管性能之间的定量关系。

在本研究中，采用溶胶-凝胶旋涂技术制备了掺氧钆的氧化锌薄膜，随后对其结构、表面形态、光学及电学特性进行了系统分析，以评估其用于光电器件的适用性。据现有文献来看，本研究是首篇全面研究氧钆掺杂氧化锌薄膜物理性质并评估其器件集成潜力的开创性报告。

章节节选

实验细节

本研究中，氧化钆掺杂的氧化锌薄膜是通过旋涂法制备的。研究中使用了二水合醋酸锌（纯度99.999%）和氯化氧钆三水合物（纯度99.95%），并分别配制了0.1摩尔的溶液。之后便开始了掺杂工序。薄膜的制备流程详见图1中的流程图。利用这些配好的溶液，分别制备了未掺杂氧化锌、1%氧钆掺杂氧化锌（OZO1）、3%氧钆掺杂氧化锌（OZO3）以及5%氧钆掺杂氧化锌（OZO5）溶液。所用基底为玻璃

结果与讨论

通过X射线衍射技术分析了未掺杂及掺氧钆的氧化锌薄膜的晶体结构，所有沉积在玻璃基底上的样品的衍射图谱均展示在图2中。之所以选择对玻璃基底上的薄膜进行XRD分析，而非p型硅片上的薄膜，主要是为了避免p型硅片产生的高强度衍射峰掩盖薄膜本身的衍射峰，从而便于更准确、更轻松地进行分析

结论

本研究介绍了通过溶胶-凝胶旋涂法制备的未掺杂及掺氧钆的氧化锌薄膜的物理特性，同时还分析了由这些薄膜制成的二极管结构的电学性能。根据XRD分析结果，具有多晶结构且掺杂3%氧钆的薄膜，其晶格参数最小，位错密度最高。形态学分析结果显示，氧钆掺杂改变了氧化锌的表面形态。在光学方面

作者贡献说明

穆杰达特·恰格拉尔：撰写初稿。塞里夫·鲁兹加尔：负责审稿、编辑工作及课题指导。塞瓦尔·阿克索伊·佩利瓦诺奥卢：负责撰写初稿、结果验证、课题指导以及概念设计

利益冲突声明

作者声明，他们没有任何可能影响本研究结果的财务利益或个人关系。同时，他们也表示自己不存在任何可能被视为与本研究存在利益冲突的财务利益或个人关系。

数据可用性

数据可应要求提供。

发表同意书

无需提供。

伦理审批

无需提供。

资金支持

无需提供。

利益冲突声明

? 作者声明，他们不存在任何可能影响本文所述研究的已知利益冲突或个人关系。

致谢

本研究得到了埃斯基谢希尔技术大学科学研究项目委员会的资助，项目编号为22ADP278

塞瓦尔·阿克索伊·佩利瓦诺奥卢|塞里夫·鲁兹加尔|穆杰达特·恰格拉尔

土耳其锡诺普大学理学院物理系