p-ZnO薄膜和ZnO發(fā)光器件的制備與研究.pdf

1、氧化鋅(ZnO)是一種直接帶隙寬禁帶半導(dǎo)體材料，室溫下禁帶寬度為3.37eV、激子束縛能高達(dá)60meV，這使ZnO材料有望在短波長高效率光電器件領(lǐng)域內(nèi)發(fā)揮重大作用。自從1996年日本和香港的科學(xué)家首次實(shí)現(xiàn)了ZnO薄膜的室溫下光泵浦紫外激射以來，ZnO材料已經(jīng)成為光電子領(lǐng)域中的研究熱點(diǎn)。目前，ZnO發(fā)光器件的效率較低，ZnO同質(zhì)結(jié)發(fā)光二極管(LED)、激光二極管(LD)仍未達(dá)到實(shí)用化的水平，其中一個(gè)重要原因是由于穩(wěn)定、高質(zhì)量、可重復(fù)的p-

2、ZnO薄膜的制備尚有一定難度。本論文針對以上這個(gè)熱點(diǎn)也是難點(diǎn)的問題，在p-ZnO摻雜和ZnO同質(zhì)結(jié)LED制備方面開展了一系列研究工作。利用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積(MOCVD)技術(shù)，在多種襯底(GaAs、Si和藍(lán)寶石)上制備了高質(zhì)量的p-ZnO薄膜和ZnO同質(zhì)結(jié)LED。利用多種表征手段對ZnO薄膜和器件進(jìn)行了深入的研究。具體研究內(nèi)容如下： 首次通過擴(kuò)散摻雜方法，在p-GaAs襯底上制備出具有紫外電致發(fā)光特性的ZnO同質(zhì)結(jié)LED。首

3、先通過優(yōu)化實(shí)驗(yàn)條件的方法在GaAs襯底上制備出高質(zhì)量ZnO薄膜，然后將ZnO薄膜在適當(dāng)溫度下進(jìn)行退火處理，使GaAs襯底中的As擴(kuò)散到ZnO薄膜中從而制備出As摻雜的p-ZnO(p-ZnO:As)薄膜，p-ZnO:As的空穴濃度最高可達(dá)～1018/cm3。在p-ZnO:As薄膜的基礎(chǔ)上制備出了具有n-ZnO/p-ZnO:As/p-GaAs結(jié)構(gòu)的ZnO同質(zhì)結(jié)LED。該器件表現(xiàn)出了優(yōu)異的整流特性，室溫下可觀測到明亮的電致發(fā)光。該器件電致發(fā)光

4、譜中呈現(xiàn)出一個(gè)位于3.2eV附近的紫外發(fā)光峰和一個(gè)位于2.5eV附近的可見發(fā)光峰。相比于其他摻雜技術(shù)，擴(kuò)散摻雜方法簡單易行，而且p-GaAs襯底而具有良好的導(dǎo)電性和解理性，這為ZnO光電器件的制備提供了極大方便。 利用等離子輔助MOCVD設(shè)備將笑氣(N2O)離化作為N源制備出N摻雜的p-ZnO(p-ZnO:N)薄膜，并在此基礎(chǔ)上制備出具有n-ZnO/p-ZnO:N/Si結(jié)構(gòu)的ZnO同質(zhì)結(jié)LED。該器件表現(xiàn)出良好了p-n結(jié)整流特性

5、，其電致發(fā)光光譜中呈現(xiàn)出兩個(gè)發(fā)光峰，一個(gè)是位于3.14eV附近的較弱的紫外發(fā)光峰，另一個(gè)是位于2.5eV附近的強(qiáng)烈的可見發(fā)光峰。在眾多的襯底材料中Si具有明顯的優(yōu)勢，比如成本低廉、易于解理、具有很好的電導(dǎo)和熱導(dǎo)性能、適合大規(guī)模集成工藝等特點(diǎn)，因此在Si襯底上制備ZnO同質(zhì)結(jié)LED有著廣闊的應(yīng)用前景。 原創(chuàng)性地開發(fā)了N2O等離子保護(hù)退火工藝，實(shí)現(xiàn)了高質(zhì)量p-ZnO:N薄膜的制備。首先利用氨氣(NH3)作為N摻雜源制備出ZnO:N薄

6、膜，然后將ZnO:N薄膜進(jìn)行高溫退火處理。為了在一定程度上抑制高溫下ZnO:N薄膜中O和N的分解，采用經(jīng)射頻發(fā)生器離化的N2O作為ZnO:N薄膜的退火保護(hù)氣體。通過這個(gè)技術(shù)制備出了質(zhì)量較高的p型ZnO:N薄膜，其空穴濃度達(dá)到1.29×1017/cm3。在此基礎(chǔ)上制備出以藍(lán)寶石為襯底的ZnO同質(zhì)結(jié)LED，該器件表現(xiàn)出了優(yōu)異的p-n結(jié)整流特性，其電致發(fā)光譜中出現(xiàn)了一個(gè)位于3.2eV附近的紫外發(fā)光峰和一個(gè)位于2.4eV附近的可見發(fā)光峰。值得注

7、意的是，在大部分關(guān)于藍(lán)寶石襯底上制備的ZnO同質(zhì)結(jié)LED電致發(fā)光的報(bào)道中，電致發(fā)光譜中可見光的發(fā)射往往占據(jù)絕對優(yōu)勢，然而在我們的結(jié)果中紫外光的發(fā)射強(qiáng)度幾乎和可見光的發(fā)射強(qiáng)度相同。藍(lán)寶石是目前工業(yè)中短波長發(fā)光器件的主要襯底，MOCVD又是規(guī)模制備發(fā)光器件的主要設(shè)備，所以利用MOCVD設(shè)備在藍(lán)寶石襯底上制備ZnO同質(zhì)結(jié)LED有著很強(qiáng)的市場潛力。 利用強(qiáng)酸弱堿鹽氯化銨(NH4Cl)的水溶液成功地實(shí)現(xiàn)了ZnO薄膜的可控濕法刻蝕，并且研究