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氧化锌(ZnO)是一种重要的宽禁带半导体功能材料,室温下能带带隙为3.37eV,激子束缚能高达60meV,是室温热能的2.3倍(26meV),因此ZnO中的激子能够在室温下稳定存在。另外由激子-激子散射诱发的受激辐射的阈值要比电子-空穴等离子体复合的受激辐射阈值低,ZnO有望用于在短波长发光二极管、紫外探测器、半导体激光器、太阳能电池、高频和大功率器件。
本文用二步法制备了氧化锌纳米结构,即用溶胶-凝胶旋涂法在最优化的热处理工艺条件下制备了(002)择优取向生长的氧化锌种子层薄膜,并用化学浴沉积的方法在氧化锌种子层上制备了氧化锌纳米结构。当化学浴母液的pH值不同时可以得到氧化锌纳米尺度的球状薄膜,棒状阵列以及针状阵列。衬底的放置方式对纳米结构的生长无明显影响。在化学浴沉积过程中,同时还出现了自由分布的氧化锌微米棒,其生长速度高于纳米棒,且生长模式符合扩散控制Ostwald熟化机制,但纳米棒的生长并不能用这一机制解释,其影响因素除扩散过程还有形核密度,生长界面的反应动力学等。同时研究了氧化锌纳米棒的微观结构及光学性质。整齐有序的纳米棒阵列具有(002)晶面择优取向,且结晶质量良好,光致发光谱显示出强的紫外发射峰及弱的绿光发射峰包,分别对应氧化锌的近带边激子跃迁发光以及点缺陷的发光。
本文也对射频磁控溅射法制备p型氧化锌薄膜进行了研究。为提高受主元素掺杂浓度,强化p型掺杂效果,采用N和Sb元素双受主掺杂的方法,研究了不同工艺参数,如靶材成分、气氛、工作气压、衬底温度、偏压对薄膜制备及薄膜的结构与p型电学性能的影响。其中工作气压对薄膜沉积速率有较大影响;衬底温度及偏压则是对薄膜的晶体质量和性能有较大影响;而靶材成分及气氛对薄膜的成分,受主掺杂浓度的影响较大。结果表明,高真空条件下(10-4Pa以下),采用1at%Sb掺杂的氧化锌陶瓷靶,在衬底温度500℃未施加偏压,Ar:N2O=12:8,工作气压0.9Pa时可以制备出具有(002)晶面择优取向,致密均匀且表面粗糙度低,p型电学性能优良的N,Sb双掺杂氧化锌薄膜。其空穴型载流子浓度为1.8×1017cm-3,霍尔迁移率为0.23cm/Vs,电阻率为139Ωcm,但两个月后由p型转变为n型。氧化锌的p型稳定性仍是一个世界性的难题。