CVD法制备锑掺杂的ZnO薄膜及其发光器件的特性研究

摘要

氧化锌(ZnO)是一种Ⅱ-Ⅵ族直接宽带隙半导体材料，其禁带宽度(Eg)是3.37eV，室温下激子束缚能较高，为60meV，这使得ZnO在紫外半导体光电器件上具有广阔的应用前景，其中包括紫外发光二极管、激光二极管、薄膜晶体管、紫外探测器、气体传感器等。众所周知，本征的ZnO半导体材料呈n型导电性质，要想实现ZnO在发光器件领域的实际应用，就要制备稳定性高、可重复的p型ZnO材料。本文主要针对目前国内外p型ZnO材料研究的热点和难点问题，采用简单的化学气相沉积(CVD)方法在n-GaN/Al2O3衬底上制备不同Sb掺杂量的p型ZnO薄膜，并且在此基础上制备p-ZnO/n-GaN异质结发光二极管(LED)并对其光电特性进行了表征。研究内容如下:
　　(1)利用CVD方法在n-GaN/Al2O3上制备出不同锑(Sb)掺杂量的ZnO薄膜，并且研究了不同Sb含量对ZnO薄膜的表面形貌、晶体结构、光学和电学性质的影响。研究发现随着Sb含量的增加，Sb掺杂ZnO薄膜的表面变得粗糙，晶粒的尺寸逐渐减小，此外，晶体质量开始变差并且发现(002)衍射峰随着Sb含量的增加逐渐向小角度方向移动，而且样品的光学带隙也明显的变窄。此外，Hall测量结果证实Sb掺杂ZnO呈p型导电性质，当Sb2O3/Zn的质量比为1∶4时，Sb掺杂p型ZnO薄膜的电学参数为最佳值，这说明较高质量的ZnO薄膜也可以通过简单的CVD方法来实现。
　　(2)采用CVD方法，成功的制备出Sb掺杂p-ZnO/n-GaN异质结发光器件，并对该器件进行了光学和电学特性的研究。通过电流-电压(I-V)特性曲线证实p-ZnO/n-GaN异质结器件显示出良好的整流特性，其正向开启电压为3.7V，反向击穿电压为8.5V，证实了Sb元素作为受主掺杂进入ZnO晶格中，使ZnO薄膜呈p型导电性质。同时，当器件在室温下注入30mA的正向电流时，成功实现了室温下较强的电致发光，并在电致发光谱(EL)中观察到了位于3.25eV的紫外发光峰和2.54eV附近的可见发光峰，紫外与可见发光的强度比大约为1∶1。该器件的成功制备为ZnO基光电器件提供了一种简单可行的途径。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 ZnO的基本性质

1．1．1 ZnO的光学特性

1．1．2 ZnO的气敏特性

1．1．3 ZnO的压电特性

1．1．4 ZnO中存在的本征缺陷

1．2 p型ZnO薄膜及ZnO／GaN异质结器件的研究进展

1．2．1 p型ZnO薄膜的研究进展

1．2．2 ZnO／GaN异质结器件的研究进展

1．3 本论文的主要研究内容

2 ZnO薄膜的制备方法和表征手段

2．1 ZnO薄膜的几种制备方法

2．1．1 化学气相沉积(CVD)

2．1．2 脉冲激光沉积(PLD)

2．1．3 分子束外延(MBE)

2．1．4 磁控溅射(Magnetron sputtering)

2．2 主要表征方法

2．2．1 X射线衍射(XRD)

2．2．2 场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)

2．2．3 霍尔测量(Hall-effect measurement)

2．2．4 光吸收谱(Absorption spectrum)

2．2．5 光致发光(PL)

3 不同Sb含量p型ZnO薄膜的制备和特性研究

3．1 实验过程

3．1 结构特性

3．3 电学性质

3．4 光学性质

3．5 小结

4 p-ZnO／n-GaN异质结器件的制备和特性研究

4．1 p-ZnO／n-GaN异质结器件的制备过程

4．2 器件的光学性质

4．3 器件的电学性质

4．3 小结

结论

参考文献

攻读硕士期间发表论文情况

致谢