ZnO半導體光電材料的制備及其性能的研究.pdf

1、ZnO是一種Ⅱ-Ⅵ族化合物半導體材料，屬于六方纖鋅礦結構，(002)晶面的表面自由能最低，因而ZnO通常具有(002)取向性生長。ZnO在光電、壓電、熱電、鐵電等諸多領域都具有優(yōu)異的性能，在低維納米領域也表現(xiàn)優(yōu)異，擁有各式各樣的納米結構。 作為一種直接帶隙寬禁帶半導體材料，ZnO最具潛力的應用是在光電器件領域。ZnO的禁帶寬度為3.37eV，激子結合能為60meV，遠高于其它寬禁帶半導體材料，如GaN為25meV，ZnO激子在室

2、溫下也是穩(wěn)定的，可以實現(xiàn)室溫或更高溫度下高效的激子受激發(fā)光，所以，ZnO在短波長光電器件領域有著極大的應用潛力，如紫藍光發(fā)光二極管(LEDs)和激光器(LDs)等，可作為白光的起始材料。在低維材料中，由于量子約束效應，ZnO會具有更加優(yōu)異的光電特性，特別是ZnO量子點，它是一種三維限制體系，量子約束效應十分顯著，由于這些特性，ZnO基納米光電器件備受關注。 ZnO要實現(xiàn)在光電領域的廣泛應用，首先必須獲得性能良好的n型和p型ZnO

3、材料，并實現(xiàn)透明的ZnO同質p-n結。高質量的n型ZnO很容易實現(xiàn)，但是ZnO的p型摻雜由于其固有的極性卻非常困難，這是目前制約ZnO實際應用的瓶頸，也是ZnO研究中面臨的主要挑戰(zhàn)。這一課題也正是本文研究的重點和核心，本文的研究便是以ZnO的p型摻雜為中心而展開的。 本文利用直流反應磁控濺射和固體源化學氣相沉積兩種生長技術對ZnO半導體光電材料進行研究。利用直流反應磁控濺射獲得了本征、n型和p型ZnO晶體薄膜這一完整的體系，實現(xiàn)

4、了ZnO同質p-n結；固體源化學氣相沉積是作者在實驗過程中發(fā)展起來的一種技術，最初也是用于ZnO的p型摻雜，但該技術最為主要的成果還是發(fā)現(xiàn)了一些新的現(xiàn)象，如ZnO新型的晶體學生長取向、ZnO量子點結構等。本文對這些ZnO材料的結構、形貌、光學、電學及其成分等諸多方面的性能進行了測試分析，予以詳細而深入的研究與探討。 1.直流反應磁控濺射生長ZnO晶體薄膜 利用直流反應磁控濺射(DCRMS)技術獲得了本征ZnO(i-ZnO

5、)薄膜、Al摻雜n型ZnO(n-ZnO：Al)薄膜(ρ=～10-4Ωcm)、N摻雜p型ZnO(p-ZnO：N)薄膜(p=～101Ωcm)和N-Al共摻p型ZnO(p-ZnO：(N,Al))薄膜(ρ=～100Ωcm)，形成了ZnOp-i-n完整的晶體薄膜體系。特別是對于p型ZnO晶體薄膜進行了詳細深入的研究，獲得很好的結果，如p-ZnO：(N,Al)薄膜，其電阻率可以低至2.64Ωcm，且具有較好的穩(wěn)定性。 所有薄膜，包括p型、n

6、型和本征ZnO，均由柱狀微晶緊密排列而成，晶粒尺寸d＞60nm，為高度(002)擇優(yōu)取向，具有良好的晶體質量；可見光區(qū)域的透射率均在90％左右，有較好的室溫紫外輻射特性，顯示出薄膜也具有良好的光學質量。 本征ZnO薄膜中Zni是其主要的缺陷形式，在薄膜中產生平面壓應力。在n-ZnO：Al薄膜中，Al的適量摻入可以降低薄膜中的應力，這是因為Al的尺寸較??；而p-ZnO：N薄膜中，N的摻入由于其較大的尺寸則會增加薄膜中的應力。在p-

7、ZnO：(N,Al)薄膜中，Al和N的共同摻入可以降低因N的摻入而引起的應力，從而起到穩(wěn)定ZnO體系的作用。 摻雜ZnO薄膜中，電離雜質散射是其主要的散射機制。對于n-ZnO：Al薄膜，電子遷移率在一定的Al含量范圍內會發(fā)生銳降，本文提出晶內團簇散射的概念對此予以解釋；當Al含量過高時，則有第二相產生。在p-ZnO薄膜中，無論是單獨摻N還是N-Al共摻，中性雜質散射和晶內團簇散射都會變得相對重要起來，值得重視。 相對于本

8、征ZnO，Al摻雜的n-ZnO禁帶寬度會增加，這是由于Burstein-Moss移動而引起的；而受主摻雜的p型ZnO，包括p-ZnO：N和p-ZnO：(N,Al)，其禁帶寬度通常會降低，這可能是由于受主能帶與價帶的簡并而引起的。 本文提出了一個完善的ZnO退火模型，包括結構和應力兩部分，以Zni和Vo的轉化將二者聯(lián)系起來。本文發(fā)現(xiàn)了Al摻雜對n-ZnO薄膜質量的提高作用。本文提出了H輔助的N摻雜機理，并據(jù)此實現(xiàn)了ZnO的p型轉變

9、。本文通過研究，發(fā)展了N-Al共摻的技術，它是一種有效的p型摻雜方法，不僅能夠為N的摻入提供一個合適的而且還能提供一個穩(wěn)定的局部化學鍵合環(huán)境，使N的摻入量得以有效提高，而且得到的ZnO：(N,Al)薄膜其p型導電特性也具有較好的穩(wěn)定性。 利用上述得到的ZnO晶體薄膜系列，實現(xiàn)了ZnO基p-n異質結和同質結結構。In-Sn合金作為電極材料，可以形成良好的歐姆接觸。特別是基于N-Al共摻p型ZnO薄膜和Al摻雜n型ZnO薄膜實現(xiàn)的同

10、質p-n結p-ZnO：(N,Al)/n-ZnO：Al，Ⅰ-Ⅴ曲線表現(xiàn)出較好的整流特性，正向開啟電壓為2V，反向擊穿電壓為4V，理想因子η=8，而且該p-n結穩(wěn)定性也較好。 2.固體源化學氣相沉積生長ZnO材料 利用固體源化學氣相沉積(SSCVD)，作者也實現(xiàn)了ZnO的p型轉變，電阻率也可以達到～101Ωcm。N摻雜p型ZnO薄膜具有(100)和(110)的混合取向，為網狀薄膜。雖然得到的p-ZnO：N薄膜質量不夠理想，但

11、是作者以此為起點，發(fā)展了固體源化學氣相沉積這一生長技術，授予國家發(fā)明專利。 通過生長參數(shù)的優(yōu)化，在適當?shù)囊r底上于非平衡條件下獲得了(100)單一取向的ZnO薄膜，這是一種新穎的ZnO晶體學生長取向。(100)取向的ZnO薄膜為納米顆粒薄膜，顆粒大小約30nm。光學透射譜分析顯示其帶寬為3.31eV，遠高于由DCRMS得到的微晶晶體薄膜3.22eV的帶寬，這可能是由于量子約束效應引起的。 進一步設計SSCVD的生長工藝，獲