ZnO：Al透明导电薄膜和ZnO发光器件的制备及特性研究

摘要

氧化锌(ZnO)是一种宽禁带(3.37 eV)Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体材料，具有较大的激子束缚能(60 meV)，理论上更容易在室温下实现高效率的受激发射，由于ZnO在结构、电学和光学等方面有诸多优点，加上ZnO薄膜的制作方法很多，在透明电极、压敏电阻、太阳能电池窗口、表面声波器件、气体传感器、发光二极管等领域应用潜力巨大。本文采用磁控溅射法生长Al掺杂ZnO透明导电薄膜(AZO)，研究了掺H2对AZO薄膜透明导电特性的影响；采用超声喷雾热分解法(USP)，通过氮．铟共掺杂制备了p型ZnO薄膜，在此基础上制备了ZnO同质结及异质结电致发光器件；采用脉冲激光沉积法(PLD)，通过GaAs衬底As扩散获得p型ZnO薄膜，并进一步尝试着制备了ZnO发光器件。具体研究内容如下： (1)采用磁控溅射法，以AZO(2wt％Al<,2>O<,3>)为靶材，在玻璃衬底上生长AZO薄膜。研究了背景Ar气氛中掺H<,2>对AZO薄膜结构、光学、电学等特性的影响，发现嵌入Zn-O键中的氢原子存在饱和阶段，在此阶段H<,2>可以改善AZO薄膜的光学、电学等特性。在低温100℃、H<,2>气流量1.0 sccm条件下成功制备出电阻率为4.15×10<'-4> Ωcm、可见光区域平均透射率为93％的优质AZO透明导电薄膜，与无H<,2>条件下制备的AZO薄膜相比较，电阻率降低到未掺H样品的1/4，实现了高质量AZO透明导电薄膜的低温制备。 (2)采用超声喷雾热分解法，以In(NO<,3>)<,3>和CH<,3>COONH<,4>为掺杂源，通过氮-铟共掺杂制备了p型ZnO薄膜。在此基础上，成功的进行了ZnO同质结发光器件的制备，室温条件下测得的电致发光谱(EL)由一个较宽的蓝绿光发光带(中心位于～2.44 eV)和一个较弱的蓝紫光右肩峰(中心位于～2.9 eV)组成。为了进一步提高器件发光效率，本论文还制备了ZnMgO/ZnO/ZnMgO双异质结构发光器件，室温下观测到该器件明显的电致发光现象，发光谱由中心位于450 nm和520 nm两个独立的峰组成，属于ZnO缺陷深能级发光。 (3)采用脉冲激光沉积法，通过衬底As扩散成功制备了p-ZnO薄膜。并在此基础上，成功制作出p-ZnO/n<'+>-GaAs异质结发光器件，其电致发光谱由蓝绿光波段和红外光波段组成，分别与光致发光谱(PL)测试结果中ZnO的深能光致发光和GaAs的光致发光相对应。在异质结器件基础上，以AZO薄膜作为n型层，构成n-ZnO/p-ZnO/n<'+>-GaAs三层结构的发光器件。室温下观测到该器件有明显的电致发光现象，EL谱是由一个较宽的蓝绿光发光带(中心位于～2.5 eV)和一个较弱的蓝紫光右肩峰(中心位于～3.0 eV)组成。Ⅰ-Ⅴ特性测试结果呈现典型的p-n结整流特性，正向开启电压约为4.5 V，反向击穿电压约为9V。

目录

文摘

英文文摘

声明

1绪论

1.1 ZnO材料结构和基本特性

1.2 ZnO薄膜发光特性研究状况

1.3 ZnO薄膜掺杂及ZnO器件研究进展

1.3.1 ZnO薄膜n型低阻掺杂

1.3.2 ZnO薄膜p型掺杂

1.3.3 ZnO带隙调整掺杂

1.3.4 ZnO器件研究进展

1.4 ZnO的广泛应用

1.5本论文的主要研究内容

2 ZnO薄膜的制备方法与相关测试方法

2.1 ZnO薄膜的制备方法

2.1.1磁控溅射法

2.1.2超声喷雾热分解(USP)法

2.1.3脉冲激光沉积(PLD)法

2.2测试方法

2.2.1霍尔效应测试

2.2.2 X射线衍射(XRD)

2.2.3光致发光谱(PL)

2.2.4 X射线光电子能谱(XPS)

2.2.5透射-反射谱(Transmission and reflection spectra)

2.2.6其他测试方法

3磁控溅射方法制备AZO透明导电薄膜研究

3.1透明导电薄膜研究进展及生长机理

3.2 AZO透明导电薄膜特性随衬底温度变化研究

3.3背景Ar气中掺H2制备AZO薄膜及特性研究

3.3.1 AZO薄膜特性随掺H2量变化研究

3.3.2背景Ar气中掺H2制备的AZO薄膜特性随衬底温度变化研究

3.3.3低温H2掺杂制备AZO薄膜及特性研究

3.4本章小结

4 USP方法制备p型ZnO薄膜及发光器件研究

4.1引言

4.2氮-铟共掺杂p型ZnO薄膜制备研究

4.3 USP方法制备ZnO发光器件研究

4.3.1 ZnO发光器件制备工艺

4.3.2 ZnO发光器件的PL测试分析

4.3.3 ZnO发光器件的电致发光

4.3.4 ZnO发光器件的Ⅰ-Ⅴ特性

4.4 Mg掺杂ZnO薄膜及ZnO双异质结发光器件制备研究

4.4.1 Mg掺杂ZnO薄膜带隙调节研究

4.4.2双异质结发光器件设计思路

4.4.3试制备双异质结发光器件及其特性研究

4.5本章小结

5 PLD方法制备p型ZnO薄膜及发光器件研究

5.1引言

5.2 PLD方法制备p型ZnO薄膜

5.3 PLD方法制备p-ZnO/n+-GaAs异质结发光器件

5.4 p-n同质结ZnO发光器件初步研究

5.5本章小结

结 论

创新点摘要

参考文献

附录

攻读博士学位期间发表学术论文情况(作者排名前三位)

致 谢