硅基ZnO薄膜的生長及ZnO：H薄膜的特性研究.pdf

1、ZnO作為新一代寬帶隙半導(dǎo)體材料，相對(duì)于ZnSe和GaN而言，其具有更高的激子束縛能(60 meV)、化學(xué)穩(wěn)定性、低的外延生長溫度等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，有望用于制備UV發(fā)光二極管和低閾值激光器。特別是2005年1月日本東北大學(xué)成功獲得了穩(wěn)定可靠的p型ZnO薄膜，制備了ZnO p-i-n同質(zhì)結(jié)，在室溫下實(shí)現(xiàn)了電致發(fā)光，使ZnO受到國內(nèi)外研究人員的廣泛關(guān)注。盡管如此，可實(shí)用的氧化鋅發(fā)光器件還沒有制備成功。 在此背景下，本文采用自行研制的常壓金

2、屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)(AP-MOCVD)進(jìn)行氧化鋅薄膜的生長，在藍(lán)寶石(c-Al<,2>O<,3>)襯底上生長ZnO：H 薄膜，對(duì)氫雜質(zhì)在其中的行為進(jìn)行探討，同時(shí)還對(duì)在硅襯底上生長ZnO薄膜進(jìn)行了研究。 以DEZn為Zn源，H<,2>O為氧源，N<,2>作載氣，在外延ZnO薄膜的反應(yīng)氣氛中通入少量氫氣，在c-Al<,2>O<,3>襯底上生長出了ZnO:H薄膜。用X射線雙晶衍射和光致發(fā)光譜對(duì)ZnO:H 薄膜的結(jié)晶性能和光學(xué)性質(zhì)進(jìn)

3、行表征。結(jié)果表明：ZnO:H薄膜(002)和(102)面的Omega掃描半峰寬分別為166arcsec和293arcsec，明顯小于未摻氫的ZnO薄膜，表明該薄膜具有良好的結(jié)晶性能，且生長時(shí)通氫氣有利于提高薄膜的晶體質(zhì)量；室溫下，ZnO:H薄膜具有較強(qiáng)的紫外光發(fā)射(380nm)，在低溫10K光致發(fā)光譜中觀測(cè)到位于3.3630eV處與氫相關(guān)的中性施主束縛激子峰(I<,4>)及其位于3.331eV處的雙電子衛(wèi)星峰(TES)。紫外一可見吸收光

4、譜表明氫的摻入起到了施主的作用，提供自由電子，使薄膜的電子濃度提高。室溫紅外光譜中也觀測(cè)到了對(duì)應(yīng)于ZnO的O-H鍵局域振動(dòng)模式的吸收帶。此外，采用退火的方法，研究了氫在ZnO:H薄膜中的熱穩(wěn)定性及退火對(duì)ZnO:H薄膜結(jié)構(gòu)性能的影響。XRD測(cè)試結(jié)果表明退火可以有效地減少薄膜中的位錯(cuò)密度，提高薄膜晶體質(zhì)量。通過觀測(cè)低溫10 K光致發(fā)光譜中I<,4>峰及室溫紅外吸收光譜中O-H 鍵吸收峰強(qiáng)度的變化，研究了ZnO:H薄膜中氫的熱穩(wěn)定性，發(fā)現(xiàn)隨著

5、退火溫度的升高，強(qiáng)度均逐漸減弱，即表明在高溫下退火，氫會(huì)從ZnO薄膜中逸出。最后，通過改變生長溫度研究生長溫度對(duì)氫摻入的影響。低溫光致發(fā)光結(jié)果表明，在故意通入氫氣的氣氛下，當(dāng)生長溫度高達(dá)900 ℃時(shí)，所生長的ZnO薄膜中含氫量很少。 采用常壓MOCVD生長技術(shù)，在Si襯底上首次引入過渡層金屬Ti生長ZnO薄膜。通過X射線衍射、干涉顯微鏡、掃描電鏡及光致發(fā)光等測(cè)試手段研究了Ti過渡層的引入對(duì)生長ZnO薄膜的影響。研究結(jié)果表明，在T

6、i/Si(111)模板上生長的ZnO薄膜具有高度的c軸擇優(yōu)取向及良好的光致發(fā)光性能；金屬鈦過渡層的引入明顯地提高ZnO薄膜的質(zhì)量。同時(shí)還研究了不同鋅源與ZnO低溫緩沖層厚度對(duì)Ti/Si模板上生長ZnO薄膜的影響，相對(duì)于二甲基鋅而言，二乙基鋅為更好的鋅源，且對(duì)緩沖層厚度進(jìn)行了優(yōu)化。 最后，采用常壓MOCVD方法，以DEZn和H<,2>O為源，在Ag/Si(111)模板上生長了ZnO薄膜。通過調(diào)節(jié)襯底溫度、生長速率和生長低溫ZnO緩