论文部分内容阅读
ZnO作为II-VI族氧化物半导体,具有较大的禁带宽度(3.37eV)和较高的激子束缚能(60meV),这使得其能够在室温下实现较低发射阈值的紫外发射。此外,ZnO材料无毒环保、成本低廉、热稳定性好且机械强度高,这些优点使得ZnO在蓝/紫外LED、透明导电极、紫外探测器、薄膜晶体管等光电子器件领域具有广泛的应用前景。然而,由于本征点缺陷的自补偿效应,高质量的p-ZnO材料一直难以得到,这就大大限制了ZnO基同质结器件的研究和应用。近年来,一些研究人员选用其他p型半导体材料代替p-ZnO,与n-ZnO构造了不同结构的p-n结器件。其中,GaAs作为另一种重要的III-V族化合物半导体材料,是当前制备红光LED及近红外光电器件的核心材料。由于具有成熟的掺杂工艺,GaAs成为替代p-ZnO构造ZnO基异质结发光器件的有力竞争者。目前,n-ZnO/p-GaAs异质结还是一个较新的材料体系。该材料体系的研究当前仍处在材料生长研究阶段,有关器件应用的报道较少。本文的主要研究成果如下:1.利用激光脉冲沉积技术在不同的实验条件下制备了ZnO薄膜,利用X射线衍射仪和光致发光测试系统,分别研究了衬底温度、生长氧压和退火温度对ZnO薄膜的结构和发光特性的影响。研究发现,当衬底温度和氧压分别为400℃和10Pa时,ZnO薄膜的结晶质量最好;ZnO薄膜的结晶质量随着退火温度的提高呈先上升后下降的趋势,当退火温度为600℃时,ZnO薄膜达到最佳结晶质量;通过光致发光测试,发现衬底温度、生长氧压和退火温度均会对ZnO薄膜的光致发光产生较大影响。此外,我们结合水热法,在Al2O3(0001)衬底上制备了具有较高c轴取向的ZnO纳米棒阵列,分别研究了有无ZnO薄膜种子层情况下ZnO纳米棒的形貌特征和发光性能。2.利用PLD技术和水热法在p-GaAs衬底上生长了ZnO薄膜和ZnO纳米棒,分别制备了n-ZnO/p-GaAs和n-ZnO纳米棒/p-GaAs异质结器件,并研究了两种器件的形貌结构和光电特性。研究结果表明,n-ZnO/p-GaAs器件的光致发光谱由一个近紫外峰、一条可见光发光带和一个近红外发光峰组成,分析原因分别是激子相关的ZnO近带边发射、缺陷相关的ZnO深能级发射和GaAs中和Be受主能级相关的辐射复合。而对于n-ZnO纳米棒/p-GaAs器件的光致发光谱,没有出现明显的GaAs发光峰,这是由于ZnO纳米棒膜层较厚,一方面吸收了到达GaAs层的激发光,另一方面吸收了部分GaAs的发光。SEM和XED测试表明ZnO薄膜具有良好的c轴取向且结晶度较高。值得注意的是,n-ZnO/p-GaAs的XRD和SEM测试结果同时说明了该样品中存在Ga2O3,分析其原因是在样品制备过程中采取了通氧措施导致GaAs被氧化,在ZnO和GaAs之间形成了一层Ga2O3中间层。此外我们对n-ZnO/p-GaAs在光电探测方面做了测试,发现当反向电压为-2V时,器件的光响应度达到饱和,此时响应度峰值达到10.17A/W;而比探测率(850nm附近)则在-2V达到峰值,探测率峰值为2.06×1010cmHz1/2/W,并且对850nm附近的红外光有较强的选择性(FWHM约为30nm)。