Sb掺杂制备p-ZnO及Si衬底Zn1-xMgxO外延薄膜和ZnMgO/ZnO量子阱的研究

摘要

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。

目录

文摘

英文文摘

致谢

第一章 前言

第二章 文献综述

2.1 ZnO的基本性质

2.1.1 ZnO的晶体结构

2.1.2 ZnO的能带结构

2.2 ZnO的结构形态

2.2.1 ZnO体单晶

2.2.2 ZnO薄膜

2.2.3 ZnO纳米结构

2.3 ZnO的性能

2.3.1 ZnO的光学性能

2.3.2 ZnO的电学性能

2.4 ZnO的应用

2.5 ZnO的缺陷与掺杂

2.5.1 ZnO的本征缺陷

2.5.2 ZnO的非故意掺杂

2.5.3 ZnO的n型掺杂

2.5.4 ZnO的p型掺杂

2.6 Zn1-xMgxO三元合金

2.6.1 Zn1-xMgxO合金的晶体结构

2.6.2 Zn1-xMgxO合金的性能与应用

2.6.3 Si衬底上生长Zn1-xMgxO薄膜研究进展

2.7 ZnO/Zn1-xMgxO量子阱、超晶格

2.7.1 ZnO/Zn1-xMgxO量子阱、超晶格的性能与应用

2.7.2 ZnO/Zn1-xMgxO量子阱、超晶格的研究进展

2.8 本文研究思路

第三章 实验原理、生长工艺及评价手段

3.1 PLD工作原理

3.1.1 激光与靶材相互作用产生等离子体

3.1.2 等离子体的空间传输

3.1.3 等离子体在衬底表面沉积、形核成薄

3.2 PLD特点

3.3 脉冲激光沉积系统

3.3.1 准分子激光器及光学系统

3.3.2 沉积系统

3.4 生长工艺

3.4.1 靶材的制备

3.4.2 衬底清洗

3.4.3 样品制备

3.5 性能表征

第四章 Sb掺杂制备p型ZnO薄膜的研究

4.1 引言

4.2 Sb掺杂制备p型.ZnO薄膜

4.3 衬底温度对Sb掺杂ZnO薄膜的影响

4.4 生长压强对Sb掺杂ZnO薄膜的影响

4.5 Sb含量对Sb掺杂ZnO薄膜的影响

4.6 本章小结

第五章 Sb掺杂ZnO薄膜的p型导电机理研究

5.1 前言

5.2 PLD技术生长Sb掺杂p型ZnO薄膜

5.3 Sb掺杂p型ZnO薄膜中元素的化学态分析

5.4 Sb掺杂p型ZnO薄膜光致发光行为分析

5.5 Sb掺杂ZnO薄膜p型导电机理研究

5.6 本章小结

第六章 Sb掺杂制备p型Zn1-xMgxO薄膜的研究

6.1 前言

6.2 Sb掺杂制备p型Zn1-xMgxO薄膜

6.3 Mg含量对Sb掺杂Zn1-xMgxO薄膜的影响

6.4 Zn1-xMgxO同质p-n结的制备

6.5 本章小结

第七章 Si衬底上外延生长Zn1-xMgxO合金薄膜

7.1 前言

7.2 缓冲层

7.2.1 缓冲层材料的选择

7.2.2 Lu2O3的制备与性能表征

7.3 Si衬底上外延生长Zn1-xMgxO合金薄膜

7.4 Si衬底上无微裂纹的Zn1-xMgxO薄膜生长

7.5 本章小结

第八章 Mg掺入引起ZnO中导带边偏移的研究

8.1 前言

8.2 变温PL分析Mg掺入引起ZnO中导带边偏移

8.3 变温Hall分析Mg掺入引起ZnO中导带边偏移

8.4 本章小结

第九章 Si衬底上ZnO/Zn1-xMgxO量子阱的制备及其光学性能的研究

9.1 前言

9.2 Si衬底上ZnO/Zn1-xMgxO量子阱的制备

9.3 ZnO/Zn1-xMgxO量子阱光学性能的研究

9.4 本章小结

第十章 结论

10.1 全文总结

10.2 本文的主要创新点

10.3 未来工作展望

参考文献

作者简历