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第三代宽禁带半导体材料氧化锌(ZnO),是近年来继GaN以后光电领域新的研究热点。ZnO在室温下的禁带宽度为3.37eV,室温下激子束缚能高达60meV,具有很好的热稳定性和化学稳定性。这些优良的光电性质及物理性质使ZnO材料得到了广泛的关注。ZnO薄膜的研究工作已经取得了很大的进展,p-i-n结ZnO基LED也已实现,但其离实际应用还存在很大距离。它在器件的研制方面离GaN也还有很大差距,原因之一就是高质量单晶ZnO薄膜的制备尚未实现突破。
本论文主要围绕在不同衬底上,用MOCVD法异质外延ZnO材料展开了研究,通过对MOCVD设备反应室喷气管结构的改造、ZnO薄膜生长条件的探索以及大失配p型Si衬底上ZnO纳米棒的生长探索,对生长得到的ZnO基材料的形貌、晶体质量及其光学性质进行了研究。取得的主要结果如下:
1、通过对MOCVD设备的研究以及反应室压强、Ⅱ/Ⅵ比、生长温度等基本参数的范围的了解,精心优化了MOCVD法生长ZnO薄膜及纳米材料的基本工艺,为之后的生长奠定了一定基础。
2、研究了不同生长温度对蓝宝石衬底上生长的ZnO材料的影响,对其进行了表面形貌,结晶质量和光学性质做了研究。发现随着生长温度的升高,ZnO的形貌从薄膜转变为纳米结构,同时结晶质量和发光特性也发生了变化。同时根据实验结果我们对蓝宝石衬底上生长的ZnO材料的生长模式进行了探讨。通过改变源材料载气的流量,得到了直径从150nm到20nm范围、均一性明显改善的ZnO纳米棒。PL谱显示纳米棒的紫外带边峰发生了蓝移,这可能与表面效应的增加有关。
3、研究了重掺杂p型Si衬底上ZnO材料的生长特性。通过改变生长源Zn/O比,得到了形貌不同的ZnO材料。随着Zn/O比的增大,ZnO材料的表面形貌逐渐改善,并在Zn/O源摩尔比为9300时获得了表面平整,直径均匀的纳米棒结构。发现重掺杂p-Si/ZnO p-n结无明显整流特性。
4、用LP-MOCVD法制备了MgO/4H-SiC异质结材料,并采用XPS法测试,计算获得了MgO/4H-SiC异质结带阶值的实验数据,根据计算结果画出了异质结的能带示意图。通过与理论数据的比较,分析了微小偏差形成的原因。