4.1氧化铪薄膜介绍（禁带宽度 结构 结构图 原子尺寸 原子半径） 17
HfO2材料由于其稳定性高的隔离性, 使其介质层成为研究对象, 因为它不仅仅具备稳定、稳定、位移较大、带硅带导轨、范围更宽的优点, 而且拥有非常良好的热力学稳定性和电极性能。这对微电子技术的发展产生了巨大的影响, 不仅提高了工业发展的越来越小的特点, 在小电子技术的过程中不断地进行设备的集成, 而且提高了芯片的集成度。但是氧化铪作为栅介质材料拥有结晶温度低，氧空位浓度高等缺点。
本论文为了制作一种新型的柔性光电二极管，将氧化铪作为光电二极管的材料，将不同底电极下的氧化铪光电二极管作对比，并找出表现性能最好的一组样品。因此，有明确的目的性的开展如下研究工作。1）使用磁控溅射的方法分别将ZnO，ITO，LNO(镍酸镧)在云母上，用X射线衍射判断制备的膜是否复合标准。证明ZnO,ITO,LNO已经成功被镀到云母基底中。2）使用溶胶凝胶法将氧化铪镀到分别拥有ZnO，ITO，LNO(镍酸镧)底电极的柔性云母基底上，分别做两次并使其在不同退火温度程序下使其退火，探究在相同底电极下不同退火温度对氧化铪薄膜制备质量的影响。3）通过往不同底电极材料与不同退火温度条件下的顶电极通入电压并测其在光照条件下与黑暗环境下电压与电流之间的关系并画出I-V图像，并通过不同I-V图像的对比找出在相同偏压幅度下电流最大的一种样品，这就是比较理想的柔性氧化铪薄膜光电二极管。
二十一世纪以来，人类开始渐渐进入信息化时代。光电二极管是一种很重要并且应用特别广泛的光电探测器件在军事，与移动通信特别是使用光纤通信技术的领域有着非常非常重要的作用，是建设未来信息化社会的重要基础。随着时下人们生活需求的提高，光电探测器件的“小型化”与“集成化”已成为未来发展趋势。因此对光电探测器件的柔性化与薄膜化拥有广阔的应用前景，掀起了广泛的研究热潮。
同时，在我国信息产业已上升至国家战略层面，提出了要突破十大重点领域，信息技术产业就在其中。但是，关系国防安全与经济发展的高端信息技术产业仍然被外国厂商垄断。我国电子领域自从开始发展后进展缓慢，中低端产品以电阻器，磁性材料，电容器，覆铜板为主。但较为高端的传感器、电感器等技术都被国际先进水平超前1-2代，许多关键专用设备都长期依靠外国进口。虽然依靠外国进口设备可以有助于完成产业初级阶段布局，带来一定效益，但所购买的技术多为中低端技术，高端技术多被限制因此千金难求。为了打破垄断我们需要发挥自主创新意识，掌握核心技术实现中国制造。
氧化铪具有良好的热稳定性与化学稳定性，是一种铁电薄膜，多用于铁电储存器，传感器与探测器中。可利用其光电二极管特性制作光电探测器等方面。并且微缩器件尺寸提高集成度已成为半导体期间的发展趋势。此外作为最有代表性的高介电常数材料，在信息技术行业被广泛应用。比如作为集成电路中金属氧化物-半导体场效应晶体管的栅介质，动态随机储存器的电容介质，NAND层间介电质等。此外氧化铪薄膜材料也在新型静电电容器，阻变，铁电储存器有广阔的应用前景。
溶胶-凝胶法设备简单，低成本易于获得均匀的薄膜，本实验将采用溶胶凝胶法制备氧化铪薄膜。本实验将乙酰丙酮铪溶解于有机溶剂冰醋酸中并以乙酰丙酮为稳定剂作为前驱体，并制备出氧化铪薄膜。
光探测器是一种将光信号转换为电信号的装置, 其主要原理是由此产生的非诱发化学品是由辐射变化引起的。光电探测器有两个工作系统: 第一种是基于光信号的光阻直接进入电信号, 实现光检测。另一种是将热能转换为以实现光探测，而这种热能是首先由器件吸收光并转换而来。光电器件包括光电池、发光二级光、光电耦合器、光电三极管、光电效应管和其他光电器件
当半导体材料由于吸收了大量的光子导致载流子浓度的明显变化来影响材料导电性,这就解释了半导体材料中电导率的变化原因, 这些效应被称为光电导效应。在没有光线的情况下, 材料是某种导体, 称为暗导体, 反之亮电导是在光照射下半导体的电导。当 U 的外部电压也是通过样品的电流时, 暗电流和光电流之间存在差异。光学电导率是明亮电导率和黑暗下电导率之间的差异, 而明亮电流和暗电流之间的差异, 称为光电流。
在一般情况下，电子空穴对是半导体PN结受到光的照射时在耗尽区产生。电子空穴对会导致PN结中P区，N区两端产生P区为正电压N区为负电压的电位差，电子因为自建电场的作用会流向N区，反之空穴就流向P区这是电位差产生的原因也被称作光伏效应。热平衡状态下PN结中电子空穴对的漂移运动等于扩散运动，导致静电流为零。但是，当PN结内热平衡被外加电场所破坏，这就使PN结内电流不为零说明有电流流过PN结。半导体并不是受到所有光照射就会产生电子空穴对，只有半导体受到能量比其禁带宽度大的光子的光照射时才会生成电子空穴对。在上文中已介绍PN结耗尽区内的电子空穴对由于自建电场会被分离导致P区中空穴聚集，N区中电子聚集。电子-空穴对如果产生在PN结耗尽区之外一般会出现两种情况。1.在平均扩散长度以内产生的电子-空穴对与电子空穴对在产生在PN结区内的结果一样电子和空穴在会自建电场中被分离。2.在平均扩散长度位置以外产生的电子空穴对会在扩散过程中被复合掉由于不会产生电位差所以并不会影响PN结光电效应。电子空穴对产生后PN结P区与N区中由于自建电场会被分别聚集大量的空穴与电子，这样会减少耗尽区宽度与接触电势。这时的光照接触电势差与热平衡时的接触电势差相对比，其减小量就是光生电势差，这就是入射光能量转变为PN结中电流的原因。
如果有光子能量足够大的光照射到金属或者半导体时，材料本身的电子被入射光中的高能量光子相互撞击导致电子逸出物质表面被称为外光电效应。从物理学可以推测出：入射光的频率越高代表入射光子能量越高，从发射出的电子初动能也越大，与光强无关；当入射光能量可以引起光电子发射后，光强越大会让光电流越大。
如果说什么是当代光电子系统中不可缺少的组成部分，那无疑是被称为光电探测器的光电二极管。光电二极管是一种以光导模式工作的结型光电器件，在探测微弱与快速光信号中有特别重要的意义。在实际应用中光电探测器主要作用是接收并将光电子系统中发射出去并经过介质传输的光信号转变为电信号。信号在介质传输中特别容易衰减，因此经常在接收光信号前将其放大后再还原为电信号。光电探测器有许多种类，理论上只要受到光照射后会改变物理性质的材料都可以成为制作光电探测器的原料可用于制作光电二极管的材料有很多，有硅、锗、砷化镓、碲化铅等。
德国物理学家海因里希赫兹1887年在实验中发现光电效应被认为是光电探测器产生的起源，这不仅仅吸引了物理学界的目光还掀起了研究者投身至光电效应的研究狂潮。但是光电探测器理论基础的形成一般被认为是爱因斯坦在1905年在理论上第一次解释了半导体以外即金属的光电效应。当电压接近击穿电压时，光电流的倍增现象在硅锗PN结出现并被两位科学家K.GMcKay与K.BMcAfee在1953年研究并发布出来。在十年之后的1965年具有高增益，均匀击穿的半导体雪崩光电二极管被K.M.Johnson以及L.K.Anderson等研究者分别报道。从此之后雪崩光电二极管（APD）由于其高内部增益与高灵敏度等优点逐渐受到研究者的关注与青睐。到现在。由于光学与电子学突飞猛进的发展，这两门学科紧密联合形成了光电子学这一崭新的学科并深入到我们正常的生活的各个领域，光电探测器作为光电子系统中不可缺少的总要器件在光电子学系统中起着重要作用。
现代光电系统原理如下：将传输信号编码后通过调制器调制光源通过发射光学系统发送出去，发送出去的光信号经过传输介质到达接收端，之后通过接收光学系统将光聚集到光电探测器上。但由于在传输介质中进行长距离传输后信号发生了衰减，所以要用放大器最输入信号进行放大。因此，研究新型的光电二极管对当代光电子系统发展有着重要意义。随着可携带式设备的流行，柔性材料由于其应用范围广成为选择制备光电二极管材料之一。
Pin光电二极管是在高浓度掺杂的P型半导体和N型半导体之间夹着一层较厚的高阻本征半导体而制成，其主要目的是改善光电二极管的高频响应特性。这种结构会使PN结的内电场基本上全集中于本征半导体层，拉大PN结间距，减小结电容。往PIN二极管通入反向电压时，结电容会随着反偏电压的增大减小，更小的结电容会带来更高的频率响应这也是PIN光电二极管频带宽的原因。
随着光电子系统的发展，人们对光电二极管的灵敏度要求越来越高。为了满足人们对灵敏度的需求人们研制出了雪崩光电二极管。其主要原理是在高反向偏压下PN结会产生雪崩效应。所以雪崩光电二极管的工作电压会接近反向击穿电压约为100~200V。由于二极管内雪崩效应的影响会带来特别快的响应速度因此带宽也非常高会有100GHz。
光电池本质上也是一个PN结，但是它可以把光能直接转换为电能，并且不需要加偏执电压。虽然可以制作光电池的有很多种，主要用于制作的光电池材料的有硒，硅，砷化镓，锗，因此可以根据材料分为锗光电池，硒光电池，硅光电池，砷化镓光电池等。除了根据材料划分光电池种类还能将光电池分为两类不同用途的光电池，分别是太阳能光电池和测量光电池。 为了能成功将太阳能电池商品化，必须要低成本与高光电转换效率。而在测量光电池中需要线度好的光照特性。硅光电池是现在特别常用的一种光电池，主要是因为其稳定性能，高换能效率，宽光谱范围，好频率特性，即可用于探测或用于能源，被广泛应用。
普通三极管有电流电压放大的功能，光电三极管也有电压电流放大的功能。在外形区别上光电三极管的外形有光窗，因此光电二极管不仅受电源电流的控制，光也是能控制其的元素之一。引出线有发射极与集电极两级和集电极，发射极，基极三极两种不同的数量引出线的种类，后者三极引出线的光电三极管的基极可以开路。使用基极时，光电三极管可以加上电信号和光信号进行双重控制，也可用于补偿温度变化，减少暗电流。光电三极管工作时各极偏压与普通三极管相同那就是发射结正偏，集电结反偏。光电二极管由于可以用电信号与光信号进行双重控制，所以其对温度变化的补偿会更为明显。在光电三极管工作时会有光电转换和光电流放大两个过程，基极结内主要是光电流转换，集电极，发射极，基极三个极一起作用有放大作用。
光电场效应管与普通场效应管有相似的结构。但是光电场效应管中PN结为光电结，只在栅源之间。沟道宽度，控制沟道电流强弱的过程主要是由于栅极上的入射光，这可以放大转换电信号。
光电接收器与发光器件组合而成的一种器件名叫光电耦合器。光源一般为发光二极管,它将输入电流线性转换为光通量；光电器件接收光通量并线性地转换为器件的输出电流。发光二极管是电流驱动器件，抗干扰能力强。光电耦合器件主要原理是光信号在输入端与输出端之间传输，由于隔离了电信号的干扰带来了稳定的性能。
光电流是光电器件在收光照射并在器件两端加上电压所产生的电流。光电流的大小为微安级或毫安级。当光电器件上的电压一定时，光电流与入射于光电器件上的光通量的关系称为光电特性，光照特性是光电器件受光照产生的光电流光电流与所照光的光照度的关系。
光电器件产生的光电流会因为波长不同的入射光而产生不同的响应就算在同一功率下但波长不同也会使产生的光电流不同。光谱特性是入射波长与产生光电流与电压的关系。光谱特性可以为我们选择制作光电器件的材料与光源提供参考有十分重要的作用，我们在选择光电器件材料与光源时应该考虑两者光谱特性相接近的材料与光源。
光电导有张弛现象，光探测器的响应也有惰性不能立即反应。对于矩形光脉冲信号，其响应出现上升沿和下降沿，通常用响应时间τ来测量探测器的惰性。所以测量的方波信号频率不能特别大频率过大的方波信号会导致响应严重失真，因为光信号频率过高时响应将会严重失真。我们应该给响应一个有效范围将这个频域范围内的响应率称为截止频率一般是零频响应的0.707被，也就是说响应时间τ越小，探测器的频率特性越好。
光电三极管与普通三极管有相同的工作原理，光电三极管中照度的作用相当于普通三极管的基极输入电流，其不同照度和不同输入电流状态下有类似的输出特征。在工作电压较低时输出的光电流为非线性，即光电流与偏压有关，影响光电流的一般只有光照度变化，所以不因为电压的改变而变化。
温度对光电流和暗电流的影响特别大，光暗电流的大小都因为温度的变化而不安华，更高的温度会带来更高的暗电流导致糟糕的输出信噪比，这不利于弱光信号的探测。减小温度的影响是在一般测量中所要克服的因素。
负载电阻和光电器件中的结电容是影响光电二极管频率特性的决定因素。一般来说越小的结电容会带来更好的频率特性，所以光电二极管的结电容较小所以它频率特性是光电器件中特别好的一种。在负载RL为1KΩ时，截止频率可达到1.5MHz以上。
本章节介绍了光电探测器与其他光电器件，解释说明了各种光电器件的原理，结构与应用。列出不同光电器件的特点与非光电器件的对比，看出光电器件对比普通器件的优势，缺点，和与普通器件对比不同的应用。除此之外还介绍了光电探测器的特性，这些特性是评价一个光电器件好坏的一个标准，也是本次研究主要探究的内容。通过记录的数据对比多种器件样品之间的区别，筛选出表现最好的样品。
激光二极管又称半导体激光器，半导体材料是工作物质，发生粒子数翻转的激活区在半导体材料中形成PN结。两个与结平面垂直的晶体解理面构成了谐振腔。一般半导体激光器的激活区厚度使亚微米，宽度约50um，谐振腔长约300um。PN结正向注入电流时可发射激光。
异质结LD有单异质结（SH）和双异质结（DH）。双异质结中将光场很好的限制在有源区里。使阈值电压大大下降，实现了在室温下的连续工作。而单异质结LD中对光波和载流子的限制比同质结好，故用作脉冲器件。其常用材料为p型或N型的GaAlAs与GaAs。
此外还有条形异质结LD与量子阱LD，其中条形异质结LD不仅阈值电流低，输出光功率高，可靠性高，能得到稳定的基横模输出，得到了大范围的应用。
量子阱LD又分为单量子阱与多量子阱两种。多量子阱结构LD有如下优越特性1）阈值电流低 2）谱线）发光二极管（LED）
GaP，GaAs，GaN等Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料一般制作成发光二极管，一般分类为有直接跃迁型和间接跃迁型之分。间接跃迁型材料的电子-空穴复合时，除放出光子外，还伴随有晶格震动，发光效率比直接跃迁型要查。GaP是间接跃迁型，GaAs，GaN是直接跃迁型。其不同材料的能带间隙与发光波长如下
由于发光二极管体积小，机器强度高，寿命长，耗电少，能与集成电路共源，使用方便，应用场景范围越来越广。
本章主要介绍了两种常见二极管，激光发射器，又称激光二极管（LD）与发光二极管，并简单介绍了制作激光二极管与发光二极管的常用材料，与发光二极管中不一样的材料所对应的波长与能带间隙，这对应着发光二极管对应的发光颜色。
通常我们把不能完全溶解于溶剂中的溶质，并且常温下溶液中会有溶质悬浮在溶液中静置后会缓慢下降的悬浮粒子称为胶体粒子。胶体粒径在1µm与1nm之间，虽然它们缓慢下降但是他们却不会沉降，根本原因是布朗运动使粒子碰撞还有粒子表面的电荷也会使胶体粒子分散。在制备目的样品材料溶液的时候主要是利用金属醇氧化物经过水解与聚合两种过程会形成胶体粒子，在氢键强大的力之下水解的原料会聚合成网状结构是一种半固态溶液，这就是凝胶形成的过程，以下为反应过程。
薄膜制备时溶液配制的温度，薄膜材料溶质的浓度，溶剂的不同等因素会对制备薄膜胶体的性质产生重大的影响，其中醇氧化物与水比例是最需要仔细考虑的部分；除此之外酸或碱可当作一种催化剂对目标产品的聚合反应有催化作用，所以控制溶液中酸碱的浓度能控制聚合速率有很大作用，根据以上因素可以总结出整个样品溶液形成胶体的的质量溶液的水解程度 ，浓度有关。
