ZnO材料的MOCVD生长、掺杂及相关物性研究

来源 :中国科学院研究生院 中国科学院大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:f281124698
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氧化锌作为一种重要的化合物半导体材料,具有良好的物理特性:直接带隙、室温禁带宽度3.37eV、激子束缚能60meV,有望在短波长发光二极管以及室温紫外半导体激光器等光电子领域得到应用。近几年来,ZnO薄膜的制备、掺杂取得了一系列进展,但是可实用的ZnO基发光器件仍未制备成功。特别是在利用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基光电器件将难以实现产业化。在这样的背景下,本论文开展了ZnO材料的MOCVD生长、掺杂及相关物性研究,取得的主要结果如下:  (1)参与设计并搭建了一台温度周期调制ZnO-MOCVD设备,使得ZnO的低温生长和高温退火可以在同一MOCVD反应室内连续进行。设备搭建过程中采用“一带多”原料配送系统,与实验室原有的一台ZnO-MOCVD共用Zn有机源、Mg有机源以及一套有机源配送管路,有效减少了配套设备数目,降低了设备运行成本。  (2)利用温度周期调制MOCVD设备,在C面蓝宝石衬底上进行了极性ZnO材料的生长与掺杂研究。分别讨论了生长温度、退火条件、退火气氛对ZnO生长、掺杂的影响。通过Raman、红外透射谱测试,发现样品中Csp2团簇以及CO2分子的存在。研究了生长温度、退火气氛、O源种类等实验参数对C团簇含量的影响并讨论了ZnO生长的化学气相反应过程。  (3)在R面、M面蓝宝石衬底上进行了非极性Zn(Mg)O材料的MOCVD生长,并与极性样品进行了对比研究。通过高分辨XRD、低温PL谱、CL谱、Raman等手段研究了生长温度对A面ZnO薄膜中应变的影响,发现薄膜处于压应变状态且其应变值随生长温度增大而减小。此外,发现不同的蓝宝石衬底晶面取向对Zn(Mg)O表面形貌、生长速度以及Mg元素的并入效率有很大影响。  (4)利用X射线光电子能谱(XPS)测量了MgO(111)/ZnO(0002)异质结的价带差,从二者能带结构的角度解释了Mg的掺入有利于ZnO的p型掺杂的原因。同时,通过比较已有的异质结能带关系得出结论:利用ZnMgO/ZnO之外的异质结构很难对ZnO有源层实现有效的空穴注入。
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