论文部分内容阅读
氧化锌（ZnO）是一种重要的化合物半导体光电材料，它具有良好的物理特性：直接带隙能带结构、室温禁带宽度3.37eV、激子束缚能60meV，是制备紫外发光二极管、特别是制备室温紫外半导体激光器的优选材料。可是性能良好的p型ZnO材料的制备问题一直以来成为实现ZnO基发光器件突破的瓶颈。近几年来，尽管国际上p型ZnO薄膜的制备取得了重要进展，但是可实用的ZnO发光器件仍没有制备成功。特别是在用金属有机化学气相沉积（MOCVD）法生长ZnO薄膜及其p型掺杂方面，还需要更多的研究，否则ZnO基发光器件将难以产业化。在这样的背景下，本论文开展ZnO薄膜的MOCVD生长及其掺杂性质研究。本论文主要是采用自制常压MOCVD系统，以去离子水（H2O）和二乙基锌（DEZn）为源材料，在蓝宝石（0001）衬底上进行ZnO薄膜的制备、掺杂等相关内容研究。在课题研究过程中，本文主要获得了以下一些有意义和有创新性的研究结果：1、首次提出了在外延层生长过程中引入少量腐蚀性气体来提高ZnO薄膜的晶体质量。研究实验结果表明，在外延层生长过程中引入少量的H2和NH3都有利于提高ZnO的晶体质量，但是引入H2将会影响ZnO薄膜的表面形貌和电学性能，而引入少量的NH3后，ZnO薄膜的表面形貌、晶体质量、室温电子迁移率、低温10K下的激子发光及其声子伴线均变好，其（0002）和几何倾斜对称（10-12）面的双晶X射线衍射（DCXRD）Omega（ω）摇摆曲线半峰宽（FWHM）分别为132弧秒（＂）和235弧秒（＂）。金相显微镜结果显示ZnO薄膜中的平均晶粒尺寸直径大小20μm，为当前文献中MOCVD法生长ZnO薄膜的最大值，本文的这一实验结果也正好体现了用常压MOCVD方法生长ZnO薄膜能获得大的晶粒尺寸特点。2、研究了高温缓冲层厚度、外延层的生长速率以及富Zn环境对ZnO薄膜生长的影响，优化了生长工艺参数。在保持较高的晶体质量前提下，得到了生长速率为4.2μm／h的ZnO单晶薄膜。据我们所知，这一生长速率是目前文献用MOCVD生长ZnO薄膜的最大报道值，较快生长速率和较高结晶质量对今后ZnO薄膜的规模化生产是十分有利的。3、采用常压MOCVD方法在蓝宝石（0001）衬底上成功地制备出高质量的、高可见光透过率的、低电阻率的Al掺杂型ZnO透明导电薄膜（AZO），其（0002）和（10-12）面DCXRD的ω摇摆曲线FWHM分别为289＂和406＂。据我们所知，这是首次报道AZO薄膜有几何倾斜对称（10-12）面DCXRD的ω摇摆曲线结果。本文制备出的AZO透明导电薄膜的可见光透过率超过90％，电阻率在9.72×10-4Ω．cm范围内。这些参数与目前文献报道所制备的AZO薄膜最好的结果相当。4、利用常压MOCVD技术以氨气（NH3）作为掺杂源进行ZnO薄膜的p型掺杂研究，对NH3掺杂温度、NH3掺杂方式以及NH3掺杂流量等重要影响参数进行了探讨。在优化的条件下，通过NH3掺杂最终获得了p型ZnO薄膜。金相显微镜和DCXRD测试结果表明，该p型ZnO薄膜具有平整的薄膜表面和好的结晶性能，其（0002）和（10-12）面的的ω摇摆曲线FWHM分别为246＂和368＂。光致发光（PL：Photoluminescence）测试结果表明，该p型ZnO薄膜的10K低温和室温PL中都能观察到非常强的与N替代O受主相关的发光峰。室温霍尔测量结果表明：p型ZnO薄膜的空穴浓度约为1016～1017cm-3，迁移率为3～10cm2／V.S。该p型ZnO薄膜为研制ZnO同质p-n结奠定了良好的基础。5、采用常压MOCVD方法在蓝宝石衬底上用Al和N做掺杂剂生长了具有p-n结构的ZnO同质结外延材料。采用Ti／Au和Ni／Au合金分别做n型和p型ZnO薄膜的欧姆接触，制备出ZnO同质p-n结芯片。在室温下，该ZnO同质p-n结具有典型的二极管整流Ⅰ-Ⅴ特性，开启电压约为5 V（正向电流10μA时），反向电压高达20V（反向电流10μA时）。这一结果要明显优于文献报道的结果。据我们所知，20V的反向电压是目前报道ZnO同质p-n结的最大值。对本文所制备的ZnO同质p-n结的稳定性测试实验结果表明：本文用NH3做掺杂源获得的p型ZnO的性能稳定。本文以上研究结果从材料生长手段常压MOCVD系统的角度来说，均属国际首次。本文相关研究结果已在《Journal of Crystal Growth》、《Journal of Luminescence》以及《Materials Science and Engineering B》等国际杂志上公开发表。其中在《Materials Science and Engineering B》杂志上发表的论文按被国际读者下载次数排序，成为该杂志2006年第一季度最热门的25篇论文之一，列第15位。本论文得到下列课题的支持：国家863纳米专项课题（合同号：No．2003AA302160）和信息产业部电子发展基金（2004-125号）。