缓冲层结晶性对ZnO薄膜性质的作用机制研究

摘要

氧化锌是由Ⅱ-Ⅵ族元素构成的，具有六方对称结构的新一代宽禁带化合物半导体材料。稳态条件下，导带底与价带顶之间能量差值约为3.37eV，激子束缚能为60meV，在室温条件下就能够实现激子发射。基于氧化锌材料诸多的结构特性，使其有望在短波长器件，半导体激光器件以及探测器件等领域得到广泛的应用。异质外延生长氧化锌薄膜材料时，由于氧化锌与衬底材料晶格常数不同造成的晶格不匹配，使得氧化锌薄膜的晶体结构呈现出多晶态或者非晶态，因此，异质外延氧化锌薄的晶体质量、发光效率以及器件的稳定性较差。我们通过在外延生长氧化锌薄膜前，先在衬底材料表面上生长一层较薄的氧化锌缓冲层，研究了氮气氛围中高温退火处理对缓冲层性质的影响以及缓冲层对二次生长的外延氧化锌薄膜的结晶质量、电学性质、光学性质和表面形貌特性的作用机制。
　　本文中采用了等离子增强MOCVD-Ⅱ型设备，首先在c面蓝宝石衬底上直接外延生长氧化锌薄膜，利用X射线衍射仪、光致发光谱和原子力显微镜等设备对直接外延氧化锌薄膜材料进行表征与分析，以便在后续实验中与在缓冲层上外延生长的氧化锌薄膜进行对比研究。之后，在与直接外延氧化锌薄膜同样的条件下，在蓝宝石衬底上制备了一层较薄的氧化锌缓冲层，并在氮气的氛围内对其进行高温退火。我们通过X射线衍射仪对其的结晶特性进行表征，分析发现退火可以有效的改善缓冲层的结晶性质，并得到了一个最优化退火温度900℃，在此温度下退火缓冲层内晶体的C轴取向生长特性最好。通过光致发光谱的分析，随着退火温度的升高，紫外深能级强度比显著下降，且当温度达到1000℃时，在光致发光谱观察不到明显的氧化锌发光峰，说明高温退火使得缓冲层的光学特性降低。通过霍尔测试仪对缓冲层电学特性分析发现，氧化锌薄膜呈现高阻状态，我们认为这是由于温度过高使得氧化锌分解较多和晶界的作用影响了载流子的正常传输，因而缓冲层电阻较大。最后，我们在缓冲层样品上外延生长氧化锌薄膜，通过测试分析发现，薄膜的结晶质量、光学特性、电学特性以及表面形貌特性都得到了明显的改善与提高。并且在经最优化退火温度处理的缓冲层上外延的氧化锌薄膜具有较好的c轴取向性、紫外峰半高宽出现了一个最小值、载流子迁移率较高，电阻率相对较低。因此，在异质外延生长中，缓冲层技术可以有效的提高外延薄膜的各项性质，对氧化锌材料的应用和推广有着重要的影响。

目录

声明

摘要

引言

1 ZnO材料概述

1．1 ZnO材料的基本性质

1．1．1 ZnO材料的晶格结构

1．1．2 ZnO材料的电学性质

1．1．3 ZnO材料的光学性质

1．1．3 ZnO材料的其它特性

1．2 ZnO薄膜的应用及研究进展

1．2．1 ZnO基紫外探测器

1．2．2 ZnO基发光器件

1．2．3 ZnO基压敏器件

1．2．4 ZnO基透明电极

1．2．5 ZnO基过渡层

1．3 本论文中研究的主要内容

2 ZnO薄膜的制备技术及表征方法

2．1 制备ZnO薄膜的主要技术

2．1．1 分子束外延(Molecular Beam Eptaixy)

2．1．2 磁控溅射(Magnetron Sputtering)

2．1．3 脉冲激光沉积(Pulsed Laser Deposition)

2．1．4 超声喷雾热分解法(Ultrasonic Spray Pyrolysis)

2．1．5 溶胶-凝胶(Sol-Gel)

2．1．6 金属有机物化学气相沉积(MOCVD)

2．2 本文实验中采用的制备ZnO薄膜的设备

2．2．1 沉积ZnO薄膜的MOCVD设备

2．2．2 沉积ZnO薄膜的源材料的选择

2．2．3 热退火设备简介

2．3 ZnO薄膜的主要表征方法

2．3．1 X射线衍射(x-ray diffraction，XRD)

2．3．2 光致发光谱(Photoluminescence，PL)

2．3．3 霍尔效应测试(Hall Effect)

2．3．4 原子力显微镜(Atomic force microscope，AFM)

2．3．5 扫描电子显微镜(Scanning electron microscope，SEM)

3 缓冲层的退火处理及其对外延ZnO薄膜性质的作用机制研究

3．1 异质外延生长过程中缓冲层的作用

3．2 蓝宝石衬底上ZnO薄膜的制备工艺

3．3 退火温度对ZnO缓冲层性质的影响

3．3．1 缓冲层结晶性质分析

3．3．2 缓冲层光电性质分析

3．3．3 缓冲层表面形貌分析

3．4 缓冲层结晶性对外延ZnO薄膜性质的作用机制

3．4．1 外延ZnO薄膜的结晶性质分析

3．4．2 外延ZnO薄膜的电学性质分析

3．4．3 外延ZnO薄膜的光学性质分析

3．4．4 外延ZnO薄膜的表面形貌分析

3．5 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢