NiO/ZnO基半导体异质结及MgNiO固溶体薄膜的制备与性能研究

摘要

ZnO作为一种新型的直接宽带隙光电半导体材料,具有3.37eV的禁带宽度,且其激子束缚能高达60meV,使得ZnO成为制备蓝/紫外光光电器件的最有前景的材料,然而如何实现高效、稳定、可靠、可重复制备的p型ZnO薄膜成为研究最大的难点。NiO薄膜是一种直接禁带半导体,禁带宽度为3.7eV,是一种典型的p型半导体,是可与ZnO形成异质结来制备半导体光电器件的非常合适的材料。日盲区紫外探测器在军事、民用领域有广泛应用。常见的AlxGa1-xN和MgxZn1-xO体系的紫外探测器由于各自的缺点很难进一步提高性能。而由于NiO和MgO晶体结构的一致和晶格常数的相似,因而可以获得高性能的MgxNi1-xO固溶体薄膜,且其带宽连续可调。
　　 本文采用射频磁控溅射制备和研究了NiO和ZnO薄膜,选择合适的生长条件,制备NiO/ZnO基异质结,研究了其能带结构,并测量其Ⅰ-Ⅴ特性曲线。我们也制备和研究了不同Mg含量的MgNiO固溶体薄膜。具体工作如下:
　　 (1)NiO、ZnO薄膜及NiO/ZnO基异质结的制备与研究。采用射频磁控溅射制备p型NiO薄膜和n型ZnO薄膜,研究了在不同生长参数下生长的NiO、ZnO薄膜的性能。研究表明350℃是得到良好电学性能的p型NiO薄膜的合适温度。较低的氧含量下,薄膜的电导率与氧分压的1/4幂成正比。在550℃时生长的ZnO薄膜的电学性能最好,450℃时则具有最好的结晶性能。通过XPS测量得到NiO/ZnO异质结价带带阶为1.47eV,并计算得到导带带阶为1.8eV,具有typeⅡ型的能带结构。Ⅰ-Ⅴ测试表明异质结具有明显的整流特性,表明成功制备了p-n异质结。
　　 (2)采用射频磁控溅射在石英衬底上制备了MgxNi1-xO(x=0.25～0.56)薄膜,研究了溅射功率、衬底温度、Mg组分对MgxNi1-xO薄膜性能的影响。XRD结果表明MgxNi1-xO是具有(111)择优取向的立方NaCl结构晶体。紫外可见透射光谱测试表明薄膜吸收截止波长随着Mg含量的增大而蓝移。薄膜中Mg含量达46％时,带宽已进入日盲区范围。XPS测试显示制备得到了典型的MgxNi1-xO固溶体,没有出现明显的分相。研究结果表明MgxNi1-xO是制备日盲区紫外探测器很有前景的材料。

目录

文摘

英文文摘

第一章 引言

第二章 文献综述

2.1 NiO结构与性质

2.1.1 NiO的结构

2.1.2 NiO的电学性质

2.1.3 NiO薄膜的气敏性质

2.1.4 NiO薄膜的电致变色性能

2.2 ZnO结构与性质

2.2.1 ZnO的结构

2.2.2 ZnO的光电性质

2.2.3 ZnO的其他性质

2.3 薄膜制备方法

2.3.1 磁控溅射

2.3.2 脉冲激光沉积

2.3.3 金属有机化学气相沉积

2.3.4 分子束外延技术

2.4 NiO/ZnO基异质结研究进展

2.5 日盲区紫外探测器研究进展

2.6 选题依据和研究内容

第三章 实验设备及原理、实验过程及性能表征

3.1 实验设备及原理

3.1.1 实验设备

3.1.2 射频磁控溅射原理

3.2 实验过程

3.2.1 靶材的制备

3.2.2 衬底及其清洗

3.2.3 薄膜的制备过程

3.3 性能表征

第四章 NiO和ZnO薄膜的制备与性能研究

4.1 p型NiO薄膜的制备与研究

4.1.1 溅射功率对NiO薄膜特性的影响

4.1.2 衬底温度对NiO薄膜特性的影响

4.1.3 沉积压强对NiO薄膜特性的影响

4.1.4 生长气氛中氧氩比对NiO薄膜特性的影响

4.1.5 小结

4.2 n型ZnO薄膜的制备与研究

4.2.1 溅射功率对ZnO薄膜特性的影响

4.2.2 衬底温度ZnO薄膜特性的影响

4.2.3 小结

第五章 NiO/ZnO基异质结的能带结构及电学性能研究

5.1 NiO/ZnO异质结能带带阶的测量与能带图的研究

5.1.1 利用XPS测试异质结能带带阶的原理

5.1.2 实验样品的制备与XPS分析

5.1.3 NiO/ZnO异质结能带图

5.1.4 小结

5.2 NiO/ZnO基异质结的制备与Ⅰ-Ⅴ性能表征

5.2.1 NiO/ZnMgO/ZnO结构异质结的制备

5.2.2 NiO/ZnMgO/ZnO结构异质结的Ⅰ-Ⅴ性能测试

第六章 MgxNi1-xO固溶体薄膜的制备及紫外探测性能研究

6.1 溅射功率对MgNiO薄膜特性的影响

6.1.1 溅射功率对MgNiO薄膜表面形貌的影响

6.1.2 溅射功率对MgNiO薄膜结构性能的影响

6.2 衬底温度对MgNiO薄膜特性的影响

6.2.1 衬底温度对MgNiO薄膜表面形貌的影响

6.2.2 衬底温度对MgNiO薄膜结构性能的影响

6.3 Mg组分对MgNiO薄膜特性的影响

6.3.1 Mg组分对MgNiO薄膜表面形貌的影响

6.3.2 Mg组分对MgNiO薄膜结构性能的影响

6.3.3 Mg组分对MgNiO薄膜光学禁带宽度的调节

6.4 MgNiO薄膜的XPS分析

6.5 MgNiO薄膜禁带宽度与Mg含量关系曲线拟合

6.6 MgNiO薄膜电学性能测试

6.7 小结

第七章 结论

参考文献

致谢

个人简历

攻读学位期间发表的学术论文与取得的其它研究成果