ZnO基薄膜材料及其p型掺杂特性研究

来源 :中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所) | 被引量 : 0次 | 上传用户:chenzi004
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氧化锌(ZnO)是一种具有六角纤维锌矿结构、直接宽带隙半导体材料。ZnO材料室温下的带隙宽度为3.37 eV,另外,ZnO还具有较大的激子结合能(高达60 meV),这一优良特性使它具备了在高于室温条件下实现高效率激子发射的必要条件,并且成为实现低阈值紫外受激发射的一种候选材料。然而,ZnO作为光电子材料在光电器件领域的应用仍然存在许多问题。首先,ZnO薄膜中本征施主来源不明确;其次,稳定、高电导、可重复的p型ZnO薄膜很难获得,严重制约ZnO在结型器件方面的应用;第三,难以得到高质量的单晶薄膜或体单晶。本论文将针对上述ZnO薄膜研究中存在的问题,我们在氢对ZnO薄膜光电和表面特性的影响以及如何提高ZnO薄膜中受主N的固溶度来获得p型薄膜等方面开展了一些研究工作,具体的内容如下:1.首先利用等离子辅助分子束外延(PA-MBE)技术制备了本征非掺杂的ZnO以及MgZnO合金薄膜,然后分别利用氢气和水蒸气对薄膜进行了后热处理。通过表面形貌、化学成分以及光电特性的表征,发现H在ZnO中起施主作用并且是ZnO中本征施主的主要来源;利用氢气热处理可以提高薄膜的表面平整度。通过水蒸气热处理,发现水蒸气中的H对薄膜的电子浓度的提高并不起主要作用,而起主要作用的是水蒸气中的O,从而导致薄膜电子浓度有一定程度的降低。2.开展了在不同Zn源温度下氮在ZnO薄膜中的掺杂特性的研究,发现在高的锌源温度下有利于实现ZnO的p型掺杂。通过拉曼光谱(Raman)的测试发现位于275 cm-1拉曼峰与受主NO有关,而与(N2) O无关,其强度随NO掺杂浓度的增加而增加,可以用来定性的表征N在ZnO薄膜中的掺杂浓度;利用PA-MBE在a面和c面蓝宝石衬底上分别制备ZnO:N薄膜,研究了晶格失配对N在ZnO中掺杂浓度的影响规律和机制,发现大的晶格失配有利于提高N在ZnO中的掺杂浓度。3.通过delta掺杂制备了N掺杂的p型MgZnO合金薄膜并对其光电特性进行了研究;利用Li-N共掺的方法得到的p型MgZnO合金薄膜,并在此基础上制备了p-n结紫外探测器,发现在背入射的情况下,该器件在330 nm处具有较高的光学响应度,并把它归因于低的表面复合速率以及光在薄膜中具有较大的穿透深度。
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