Si基ZnO薄膜的慢正电子研究

摘要

ZnO是一种Ⅱ-Ⅳ族直接带隙的宽禁带半导体材料，在室温下其禁带宽度为3.36eV，激予束缚能为60meV，具有很好的热稳定性和化学稳定性。1996年香港和日本科学家在第23届半导体激光器国际会议上首次报道ZnO微结构的紫外受激发射。随后，在1997年5月9日出版的Science杂志“Will UV Lasers Beat the Blues”为题，高度评价了氧化锌在紫外激光器的应用前景，从而在国际范围内掀起了研究氧化锌的热潮。另外，作为第二代半导体材料，ZnO在高效率光散发设备和其他光学方面也有很好的应用前景，但是材料中的点缺陷是影响其光学和电学性质的重要因素，因此准确鉴别和量化材料中的点缺陷就显得尤为重要。 正电子湮没谱学(Positron Annihilation Spectroscopy)，是一门把核物理和核技术应用于固体物理和材料科学研究的新技术，还可应用与化学和生物等学科。因其无损、灵敏度高等特点，而在材料微缺陷研究中得到了广泛的应用和越来越多的重视。 本论文主要围绕Si基ZnO异质外延薄膜的性质展开研究，利用正电子湮没技术，同时结合X射线衍射分析，拉曼散射谱以及光致发光谱等测试手段相辅相成，瓦为补充，其结果对于ZnO材料的生长和应用都具有缀好的指导作用。主要的研究工作和结果如下： 1.同质缓冲层生长ZnO/Si薄膜的研究 利用X射线衍射(XRD)，正电子湮没谱学(PAs)和光致发光谱(PL)等方法研究了不同厚度同质缓冲层生长的ZnO/Si薄膜。通过改变直流溅射时间，在Si衬底上溅射一层不同厚度的ZnO缓冲层，再利用LP-MOCVD生长离质量的ZnO薄膜。通过研究发现，没有缓冲层的ZnO薄膜是取向性较差的多晶薄膜，而随着缓冲层的引入，薄膜的取向性明显变好。慢正电子观测到溥膜内正电子的捕获缺陷主要是Zn空位(V<,Zn>)，并且在靠近薄膜和缓冲层的界面空位浓度变大。然而随着缓冲层的厚度的增加，薄膜的结晶质量开始下降，缺陷浓度开始增加以及发光性质开始变差。可见缓冲层的引入对薄膜质量有显著影响。 另外，还比较了Si(100)衬底和Si(111)衬底生长的同质缓冲层薄膜，发现以Si(100)做衬底，正电子在薄膜内观察到的缺陷也是Zn空位(V<,Zn>)，随着缓冲层厚度的增加，缺陷浓度以及光致发光的变化趋势同Si(111)为衬底是完全一致的，但是以Si(100)为衬底的薄膜空位缺陷浓度更大，并且光致发光谱测量表明还产生了更多缺陷类型(No)，这些都说明Si(100)上生长的薄膜质量不如以Si(111)为衬底生长的薄膜。 2.退火对N掺杂ZnO/Si薄膜的影响 利用X射线衍射(XRD)、正电子湮没谱学(PAS)、拉曼散射光谱(RSS)和光致发光谱(PL)等方法研究了不同退火气氛和退火温度对N掺杂的ZnO/Si(111)薄膜的影响。利用等离子辅助生长Si基ZnO异质外延薄膜，通过优化工艺、选择合适的射频功率等，可以得到结晶质量较好的薄膜。通过研究发现，600℃-800℃退火的ZnO薄膜都具有较好的c轴取向，且随着退火温度的升高薄膜的晶格质量也随之变好，紫外发光强度有了明显提升。正电子在600℃和700℃退火的薄膜内观察到的空位缺陷都是V<,Zn>，且随着退火温度升高空位浓度略有下降，但是800℃退火后的薄膜内出现了较大的空位团簇，可能是掺杂N原子与空位缺陷发生反应，形成了新的稳定的复合缺陷，且氮气中退火的薄膜因为部分N原子被激活而取代了O的格位形成No而被局域，导致参与形成复合缺陷的N原了减少，新的复合缺陷浓度相比较空气气氛下退火的薄膜有所减小。另外，空气中退火能抑制O原子的逸出，使绿光峰的发光带几乎被抑止，而掺杂的N原子只有在氮气气氛下800℃退火才被激活，这意味着N原子的激活过程伴随着大量的点缺陷(如V<,O>)的产生。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1引言

1.2 ZnO材料概述

1.2.1 ZnO晶体结构

1.2.2 ZnO电学性质

1.2.3 ZnO光学性质

1.3 ZnO缺陷和掺杂

1.3.1 ZnO本征缺陷

1.3.2 ZnO的掺杂

1.4正电子湮没技术对ZnO材料的研究进展

1.5论文结构

第二章正电子湮没谱学研究方法

2.1正电子湮没谱学基础

2.1.1正电子的性质

2.1.2正电子在物质中的动力学过程

2.2正电子湮没实验技术

2.2.1正电子湮没寿命谱测量

2.2.2正电子湮没多普勒展宽谱测量

2.2.3正电子湮没辐射角关联测量

2.2.4慢正电子束流技术

第三章同质缓冲层生长ZnO/Si薄膜的研究

3.1引言

3.2实验

3.2.1样品制备

3.2.2实验测量

3.3结果与讨论

3.3.1 X射线衍射谱测量

3.3.2慢正电子湮没能谱分析

3.3.3室温光致发光谱测试

3.3.4分析与讨论

3.3.5Si(100)和Si(111)衬底的比较

3.4小结

第四章退火对N掺杂ZnO/Si薄膜的影响

4.1引言

4.2实验

4.2.1样品制备

4.2.2实验测量

4.3结果与讨论

4.3.1 X射线衍射谱测量

4.3.2慢正电子湮没能谱分析

4.3.3拉曼散射谱测量

4.3.4室温光致发光谱测试

4.3.5分析与讨论

4.4小结

第五章全文总结

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文与取得的研究成果

致谢