氧化锌/碳化硅异质结的电子和化学结构研究

摘要

氧化锌(ZnO)半导体材料由于禁带宽度大、激子能量高等诸多优点呈现出良好的紫外光电特性。然而由于电导率较低、载流子浓度不高、稳定性较差等原因，p型ZnO材料的制备仍然面临较大的挑战，直接影响了ZnO基器件的性能。因此寻找合适衬底制备高质量ZnO异质结具有重要的意义。而碳化硅(SiC)由于热稳定性高、化学性能稳定、热导率高、电子饱和和漂移速度快等特点，与ZnO的晶格失配度小（约5％），在SiC衬底上能够获得高质量的ZnO异质结且应用在光电器件上。
　　本论文研究不同生长方式下制备的ZnO/SiC界面的电子和化学结构，揭示影响异质结性能的关键要素，为器件性能的优化提供技术支持。主要工作包含在n型6H-SiC衬底上利用磁控溅射和分子束外延(MBE)生长ZnO薄膜，以及利用化学气相沉积法(CVD)制备ZnO纳米线和薄膜。通过扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)表征所生长薄膜的结构，采用X射线光电子能谱(XPS)、X射线俄歇谱(XAES)、紫外光电子谱(UPS)以及同步辐射光谱学技术表征所得样品的界面电子和化学结构结构。
　　主要研究成果为:
　　一、采用不同的制备方法（磁控溅射和MBE）所得的ZnO/SiC异质结界面存在不同化学结构。其中磁控溅射ZnO/SiC异质结，界面处不止存在Si-C键、Zn-O键，还有Si-O键、硅酸锌类(Zn2SiO4)化合物。MBE方法得到的样品，界面处并没有硅酸锌(Zn2SiO4)。此类样品界面处其价带偏量为(1.2±0.3) eV，导带偏量为0.8 eV，从而解释了同型的ZnO/SiC异质结具有优越整流特性的原因。
　　二、利用化学气相沉积法(CVD)在铝掺杂ZnO(AZO)和铜铟镓硒(CIGSe)等衬底上制备ZnO。在不使用催化剂的情况下通过调控制备参数获得不同形态的ZnO纳米结构，为优化薄膜太阳能电池性能提供技术支持。
　　上述成果有助于优化基于ZnO的异质结器件性能，为宽禁带半导体材料薄膜的集成提供基础性技术支撑，对ZnO相关研究（如ZnO异质结界面处的二维电子气特性、ZnO基透明电极等）具有借鉴意义。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 ZnO的基本性质

1．2．1 ZnO的晶体结构

1．2．2 ZnO的性质

1．3 ZnO材料的制备方法

1．4 ZnO／SiC异质结的研究现状

1．5 选题意义

1．6 本文主要研究内容

第二章 ZnO薄膜的制备技术与表征方法

2．1 ZnO薄膜的制备技术

2．1．1 磁控溅射原理

2．1．2 分子束外延技术原理

2．1．3 化学气相沉积法原理

2．2 ZnO薄膜的表征方法

2．2．1 扫描电子显微镜

2．2．2 X射线衍射

2．2．3 光电子能谱

2．2．4 同步辐射

第三章 磁控溅射法制备的ZnO／SiC异质结电子与化学结构研究

3．1 引言

3．2 ZnO／SiC异质结制备

3．3 表征结果与分析

3．4 本章小结

第四章 分子束外延法制备的ZnO／SiC异质结电子与化学结构研究

4．1 引言

4．2 ZnO／SiC异质结的制备

4．3 表征结果与分析

4．4 本章小结

第五章 CVD法制备ZnO纳米结构

5．1 引言

5．2 ZnO纳米结构的制备

5．3 实验结果与分析

5．4 本章小结

第六章 总结与展望

参考文献

硕士期间发表论文

致谢