ZnO基材料的择优取向生长及异质结界面能带结构研究

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六方纤锌矿结构的ZnO在c轴方向具有很强的晶格极化效应,为了消除其不利影响,可以使ZnO沿非极性或半极性方向生长。另一方面,制备高质量的p型ZnO相对困难,最新的研究尝试采用I族元素如Li、Na替代N作为掺杂剂。如为异质结构,可选择p型GaN、NiO作为p型层。而要实现器件优化,这些异质结的界面能带结构实验测定和设计至关重要。本文针对以上难点和问题,制备了不同生长取向的ZnO基材料,在此基础上实验测定了NiO/ZnO异质结的界面能带结构,研究分析了ZnO的取向生长对异质结带阶值影响行为;通过Mn-Na共掺制备了非极性p型ZnO薄膜;通过Co-Ga、Mn-Li共掺在多种非晶衬底上制备了半极性ZnO薄膜。主要结果如下:1.采用XPS结合光谱测定ZnO/NiO异质结的能带带阶。NiO/ZnO(0002)和NiO/ZnO (1120)价带带阶分别为:1.33±O.1eV和1.56±0.1eV,导带带阶分别为:1.73±O.1eV和1.98±O.1eV。两种异质结的界面能级排列均为type-II型结构。极性ZnO薄膜中的自发极化效应是造成两种异质结能带带阶值差别的主要原因。2.在R面蓝宝石衬底上制备了不同Na含量的Zn(Mn, Na)O薄膜。研究表明:随着氧压的增加,薄膜晶体质量变差,非极性外延生长受到抑制,薄膜由n型导电变为p型导电。Na含量为2%,氧分压为0.02Pa,衬底温度为550℃时制得的非极性薄膜晶体综合质量最优。3.在石英衬底上通过Co-Ga共掺制备了Zn(Co,Ga)O薄膜。在低氧压下薄膜倾向于c轴择优取向生长,氧压增大至30Pa以上,薄膜取向逐渐向(1011)面变化。对比衬底影响,玻璃比石英更能促进薄膜的半极性生长。同样地,在石英衬底上,也获得了Mn-Li共掺的ZnO半极性薄膜((1011)取向)通过改变氧压、衬底温度等实验参数获得了(1011)择优取向的半极性Zn(Mn,Li)O薄膜。我们系统的研究和分析了影响取向生长的关键因素。
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