氧化鋅奈米結構之光感測器研究

A Study for the Photodetectors with ZnO-based Nanostructures

蕭凱華(Kai-Hua Hsiao)

指導教授 ： 姬梁文

國立虎尾科技大學/電機資訊學院/光電與材料科技研究所/碩士(2014年)

摘要

本研究描述以氧化鋅奈米結構(Nanostructures)於玻璃基板及可撓式塑膠基板上製作光感測器(Photo-Detector, PDs)，探討不同材料CdSe/ZnS量子點(Quantum Dot)及硫化鎘薄膜，分別與氧化鋅奈米結構作結合，並以不同成長時間與濃度作比較。CdSe/ZnS量子點及硫化鎘薄膜對氧化鋅奈米結構製備之光感測器，在電子、電洞傳遞與調變響應波段改變的情況下探討光暗電流與光響應程度的影響。
本研究第一部分使用水熱法將硝酸鋅(Zinc nitrate,Zn(NO3)2)與六亞甲基四胺(hexamethylenetetramine,HMTA)設定濃度比例為0.05 M : 0.1M，經三小時成長氧化鋅奈米線，再利用水溶液吸附的方式將濃度1%的CdSe/ZnS量子點吸附於氧化鋅奈米線結構上，其結果顯示氧化鋅奈米線經添加量子點後，元件具有最佳化的暗電流，由6.5×10-11A提升至1.6×10-6A，而光電流從7.1×10-10A提升至1.2×10-4A，光響應度峰值由0.042A/W上升至2.8A/W，響應度提高了兩個數量級，因為量子點提供了高光吸收與寬的吸收波段特性，進而提升光電流特性及其光響應程度。
在第二部分，透過水浴沉積法製備硫化鎘薄膜，成長時間為40分鐘後利用水熱法將 Zn(NO3)2與HMTA設定濃度比例為0.03M : 0.03M，經120分鐘成長後製備氧化鋅奈米線，使元件具有最佳化特性，其暗電流從1.7×10-10A提升至1.7×10-5A，而光電流為從5.76×10-8A提升至8.85×10-3A，光響應度峰值由0.041A/W上升至16.8×A/W，這是因為氧化鋅奈米線提供載子特定方向的傳輸路徑與吸收光的特性，及硫化鎘對可見光波段反應強烈使得光響應程度提高了兩個數量級。本研究結果證實，CdSe/ZnS量子點與硫化鎘薄膜光響應波長在450~600 nm，結合於氧化鋅光感測器中，這對於高成本消耗的高科技光電半導體產業而言，將是可以繼續研發改進的光感測器元件之一。

關鍵字

氧化鋅 ； 奈米線 ； 硫化鎘 ； 量子點 ； 光感測器 ； 硒化鎘/硫化鋅

並列摘要

In this work, we fabricate Zinc-Oxide nanostructures based optical sensors on the glass substrate and the flexible plastic substrate. CdSe / ZnS quantum dots(QDs) and CdS films were immobilized with zinc oxide nanostructures, respectively. Then comparing different concentrations and growth time. By changing carrier transmission and modulation band, the characteristics and response of dark-current and photo-current was investigate by different zinc-oxide nanostructures based photo detector.
In the first part of this study, ZnO nanowires were growth by using hydrothermal method 3hrs with zinc nitrate and HMTA by ratio of 0.05 M: 0.1 M. And 1% CdSe / ZnS QDs solution were then adsorbed onto ZnO nanowire structure. The results showed that after adding the quantum dots onto ZnO nanowires, the dark current increased from 6.5 × 10-11 A to 1.6 × 10-6 A, while the photocurrent from 7.1 × 10-10 A increased to 1.2 × 10-4 A, the responsivity increased from 0.042A / W to 2.8A/W. Enhance of photocurrent response and the light responsiveness was due to quantum dots with high light absorption and a wide band characteristic.
In the second part, Chemical bath deposition was used to growth CdS thin films, 40mins. ZnO nanowires were then growth by using hydrothermal method 2hrs with zinc nitrate and HMTA by ratio of 0.03 M: 0.03 M.The results showed that the dark current increased from 1.7×10-10 A to 1.7×10-5 A, and photocurrent increased from 5.76×10-8 A to 8.85×10-3 A, the responsivity increased from 0.041 A/W to 16.8A/W. The characteristics of absorption of light not only due to zinc oxide nanowires provide carrier specific direction of transmission path but also because CdS strongly reacted to the visible band. Our results show that CdSe / ZnS QDs and CdS thin films respond to wavelengths in the range 450 nm to 600 nm, and it can be combined with zinc oxide photo detectors. For the cost of high-tech semiconductor industry, it will be able to continue to develop improvements as a efficiency photo detectors.

並列關鍵字

ZnO ； Nanowires ； CdS ； Quantum Dot ； Photodetectors ； CdSe/ZnS

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