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作为一种新型的宽禁带化合物半导体材料,氧化锌(ZnO)在短波长光电器件领域具有巨大的应用潜力。ZnO具有直接带隙能带结构,室温禁带宽度为3.37eV,对应于近紫外光波段。同时,ZnO具有60 meV的激子结合能,远高于其它宽禁带半导体材料,如GaN为25 meV,其激子在室温下可以稳定存在,易于实现室温或更高温度下高效的激子受激发光。因此,ZnO是制备蓝光-紫外光发光二极管(LEDs)和激光器(LDs)等光电器件材料.
众所周知,为了提高光电器件的性能,器件大多采用p-n结、超品格或量子阱结构。因此,要实现znO在光电领域的广泛应用,ZnO研究需要解决两大关键问题。一是实现稳定可靠的p-ZnO,即“掺杂工程”;二是ZnO能带裁剪及制备性能优良的ZnO基量子阱或超晶格结构,即“能带工程”。虽然目前这两方面的研究都已经取得了一些进展,但同时还存在诸多问题,仍然是制约ZnO实际应用的两大瓶颈.基于上述情况,本文针对这两大关键问题开展研究。整篇行文分为两大部分:第一部分的研究以如何获得性能良好的p-ZnO薄膜为初衷,深入探索p型掺杂机理;第二部分的研究是以ZnO能带裁剪为中心而展开的。主要工作包括以下内容:
1.采用脉冲激光沉积法(PLD)Sb掺杂技术实现ZnO薄膜的P型转变,并系统研究了实现Sb掺杂P型ZnO薄膜的生长窗口。研究发现,只有在合适的氧气氛、衬底温度、Sb含量的条件下,才能获得良好的P型导电性能。通过系统研究,得到优化的工艺参数为:生长压强1 Pa、衬底温度550℃、Sb含量2 at.％。我们采用绝缘衬底在上述工艺参数下制备的P型ZnO薄膜其电阻率为2.2Ω·cm,载流子浓度为2.3×1018cm-3,迁移率为1.23 cm2/V·s。在此基础上,我们还研究了Sb掺杂ZnO薄膜的P型电导稳定性.研究发现,Sb掺杂P型ZnO薄膜具有较好的时间稳定性。
2.采用氧等离子体辅助PLD法制备轻掺Sb的P型ZnO薄膜,并深入研究Sb掺杂ZnO薄膜的P型导电机理。氧等离子体可以有效地提高氧的活性,为Sb掺杂ZnO薄膜生长提供富氧环境。研究发现,Sb掺杂P型ZnO薄膜具有双受主行为:富氧环境引入锌空位(VZn)受主,此受主能级为～336 meV,属于深受主;Sb掺杂引入相关受主,能级为～161 meV。结合第一性原理计算提出的大尺寸元素掺杂模型,揭示Sb掺杂ZnO薄膜的p型导电机理:Sb掺入ZnO中,占据Zn的品格位置,同时诱生2个VZn,形成SbZn-2VZn受主缺陷复合体。
3.采用PLD法生长Sb掺杂p型Zn1-xMgxO薄膜,并研究了Mg含量对Sb掺杂Zn1-xMgxO薄膜性能的影响。研究发现,薄膜中的Mg含量对于实现Sb掺杂Zn1-xMgxO薄膜的p型转变非常重要,当Mg含量控制在适当的范围内才能获得良好的p型导电性能。此外,我们还发现在ZnO中掺入适量的Mg,有利于实现ZnO薄膜的p型掺杂。
4.采用PLD法在Si(111)衬底上生长Zn1-xMgxO合金薄膜。研究发现,通过在Si(111)衬底上先引入一层Lu2O3(111)缓冲层,可以有效地缓解Si与Zn1-xMgxO之间的晶格失配,从而实现Si衬底上外延生长Zn1-xMgxO薄膜。此外,针对Si衬底生长Zn1-xMgxO薄膜,当薄膜厚度较厚时容易出现开裂的问题,我们发明了一种新的工艺:采用周期生长,在Zn1-xMgxO薄膜生长过程中多次插入～10 nm厚的低温Zn1-xMgxO层。此生长工艺有效解决了开裂问题。
5.采用变温PL和变温Hall测试分析Mg掺杂引起ZnO中导带边移动机制。研究发现:Mg掺入ZnO中,引起ZnO能带发生展宽,同时导致ZnO薄膜的施主能级变深。由此得出:Mg掺入ZnO中使ZnO能带中导带边发生上移。
6.采用PLD法在Lu203(111)/Si(111)衬底上生长ZnO/Zn0.9Mg0.10多量子阱,并研究了多量子阱的光学性能。研究表明,ZnO/Zn0.9Mg0.10多量子阱结构实现了高效的势阱层内激子发射以及载流子注入。另外,通过改变量子阱的阱宽可以实现激子发射波长在较大范围内调节。
在势阱宽度为5 nm的ZnO/Zn0.9Mg0.1O多量子阱中,观察到局域激子(LE)发光峰的峰位较ZnO外延薄膜发生13 meV的蓝移,合理地解释了此蓝移行为是量子约束效应与量子约束Stark效应的综合作用结果。此外,我们还研究发现,ZnO/Zn0.9Mg0.10多量子阱中LE发光峰强度随温度的衰减速率远远小于ZnO薄膜,表明ZnO/Zn0.9Mg0.10多量子阱易于实现室温或更高温度下高效的激子发射。