紫外光电材料ZnO的外延生长及特性研究

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ZnO是一种新型的宽禁带化合物半导体材料,其室温禁带宽度为3.37eV,熔点为2230K,具有良好的热稳定性和化学稳定性以及更短的激射波长,是制作短波长激光器以及紫外探测器的理想材料。ZnO最大的优点是其高的激子束缚能(60meV),比同是Ⅱ-Ⅵ族的ZnSe(21meV)及Ⅲ-Ⅴ族GaN(20meV)高出许多,高的激子束缚能使其在室温下具有强的激子发光特性。利用新型的激光分子束外延(L-MBE)生长技术,可以生长超晶格及多层量子阱等低维结构,以制备高性能的量子效应器件。 本文采用直流反应磁控溅射法分别在Si(001),Si(111)及k4玻璃衬底上制备了ZnO薄膜,研究了衬底温度、氧氩比对于薄膜结晶质量的影响。并采用退火工艺提高了ZnO薄膜的质量。结合XRD谱对薄膜的生长工艺进行了优化,在衬底温度为350℃,氧氩比为1:2的条件下制备出了高度取向的ZnO薄膜,其ZnO(0001)面的XRD半峰宽仅为0.1°,优于国内其它单位所报道的水平。透过率谱分析表明,ZnO在大于370nm光波段的平均透过率大于85%,最高透过率达95%,小于370nm处,透过率由于ZnO的本征吸收骤然下降为零。表明了其良好的光学特性。我们采用波长为248nm的KrF准分子激光器作为激发源对ZnO样品进行了室温光致发光(PL)谱测试,在400nm处发现了强的近紫外光发射峰。进一步验证了ZnO良好的激子发光特性。 p型掺杂是形成pn结,实现ZnO电注入发光的关键工艺,本文详细讨论了影响ZnO有效p型掺杂的因素,采用本征点缺陷(IPD)的自补偿理论研究了ZnO的自补偿过程及产生机理,提出了抑制ZnO自补偿效应的途径。为实现高效的p型掺杂提供了有益的参考。
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