Sb摻雜制備p-ZnO及Si襯底Zn1-xMgxO外延薄膜和ZnMgO-ZnO量子阱的研究.pdf

1、作為一種新型的寬禁帶化合物半導(dǎo)體材料,氧化鋅(ZnO)在短波長光電器件領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力。ZnO具有直接帶隙能帶結(jié)構(gòu),室溫禁帶寬度為3.37eV,對應(yīng)于近紫外光波段。同時(shí),ZnO具有60 meV的激子結(jié)合能,遠(yuǎn)高于其它寬禁帶半導(dǎo)體材料,如GaN為25 meV,其激子在室溫下可以穩(wěn)定存在,易于實(shí)現(xiàn)室溫或更高溫度下高效的激子受激發(fā)光。因此,ZnO是制備藍(lán)光-紫外光發(fā)光二極管(LEDs)和激光器(LDs)等光電器件材料.
　　 眾

2、所周知,為了提高光電器件的性能,器件大多采用p-n結(jié)、超品格或量子阱結(jié)構(gòu)。因此,要實(shí)現(xiàn)znO在光電領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用,ZnO研究需要解決兩大關(guān)鍵問題。一是實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定可靠的p-ZnO,即“摻雜工程”;二是ZnO能帶裁剪及制備性能優(yōu)良的ZnO基量子阱或超晶格結(jié)構(gòu),即“能帶工程”。雖然目前這兩方面的研究都已經(jīng)取得了一些進(jìn)展,但同時(shí)還存在諸多問題,仍然是制約ZnO實(shí)際應(yīng)用的兩大瓶頸.基于上述情況,本文針對這兩大關(guān)鍵問題開展研究。整篇行文分為兩大部分:

3、第一部分的研究以如何獲得性能良好的p-ZnO薄膜為初衷,深入探索p型摻雜機(jī)理;第二部分的研究是以ZnO能帶裁剪為中心而展開的。主要工作包括以下內(nèi)容:
　　 1.采用脈沖激光沉積法(PLD)Sb摻雜技術(shù)實(shí)現(xiàn)ZnO薄膜的P型轉(zhuǎn)變,并系統(tǒng)研究了實(shí)現(xiàn)Sb摻雜P型ZnO薄膜的生長窗口。研究發(fā)現(xiàn),只有在合適的氧氣氛、襯底溫度、Sb含量的條件下,才能獲得良好的P型導(dǎo)電性能。通過系統(tǒng)研究,得到優(yōu)化的工藝參數(shù)為:生長壓強(qiáng)1 Pa、襯底溫度550℃

4、、Sb含量2 at.％。我們采用絕緣襯底在上述工藝參數(shù)下制備的P型ZnO薄膜其電阻率為2.2Ω·cm,載流子濃度為2.3×1018cm-3,遷移率為1.23 cm2/V·s。在此基礎(chǔ)上,我們還研究了Sb摻雜ZnO薄膜的P型電導(dǎo)穩(wěn)定性.研究發(fā)現(xiàn),Sb摻雜P型ZnO薄膜具有較好的時(shí)間穩(wěn)定性。
　　 2.采用氧等離子體輔助PLD法制備輕摻Sb的P型ZnO薄膜,并深入研究Sb摻雜ZnO薄膜的P型導(dǎo)電機(jī)理。氧等離子體可以有效地提高氧的活性

5、,為Sb摻雜ZnO薄膜生長提供富氧環(huán)境。研究發(fā)現(xiàn),Sb摻雜P型ZnO薄膜具有雙受主行為:富氧環(huán)境引入鋅空位(VZn)受主,此受主能級為～336 meV,屬于深受主;Sb摻雜引入相關(guān)受主,能級為～161 meV。結(jié)合第一性原理計(jì)算提出的大尺寸元素?fù)诫s模型,揭示Sb摻雜ZnO薄膜的p型導(dǎo)電機(jī)理:Sb摻入ZnO中,占據(jù)Zn的品格位置,同時(shí)誘生2個(gè)VZn,形成SbZn-2VZn受主缺陷復(fù)合體。
　　 3.采用PLD法生長Sb摻雜p型Zn

6、1-xMgxO薄膜,并研究了Mg含量對Sb摻雜Zn1-xMgxO薄膜性能的影響。研究發(fā)現(xiàn),薄膜中的Mg含量對于實(shí)現(xiàn)Sb摻雜Zn1-xMgxO薄膜的p型轉(zhuǎn)變非常重要,當(dāng)Mg含量控制在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)才能獲得良好的p型導(dǎo)電性能。此外,我們還發(fā)現(xiàn)在ZnO中摻入適量的Mg,有利于實(shí)現(xiàn)ZnO薄膜的p型摻雜。
　　 4.采用PLD法在Si(111)襯底上生長Zn1-xMgxO合金薄膜。研究發(fā)現(xiàn),通過在Si(111)襯底上先引入一層Lu2O3(1

7、11)緩沖層,可以有效地緩解Si與Zn1-xMgxO之間的晶格失配,從而實(shí)現(xiàn)Si襯底上外延生長Zn1-xMgxO薄膜。此外,針對Si襯底生長Zn1-xMgxO薄膜,當(dāng)薄膜厚度較厚時(shí)容易出現(xiàn)開裂的問題,我們發(fā)明了一種新的工藝:采用周期生長,在Zn1-xMgxO薄膜生長過程中多次插入～10 nm厚的低溫Zn1-xMgxO層。此生長工藝有效解決了開裂問題。
　　 5.采用變溫PL和變溫Hall測試分析Mg摻雜引起ZnO中導(dǎo)帶邊移動機(jī)制

8、。研究發(fā)現(xiàn):Mg摻入ZnO中,引起ZnO能帶發(fā)生展寬,同時(shí)導(dǎo)致ZnO薄膜的施主能級變深。由此得出:Mg摻入ZnO中使ZnO能帶中導(dǎo)帶邊發(fā)生上移。
　　 6.采用PLD法在Lu203(111)/Si(111)襯底上生長ZnO/Zn0.9Mg0.10多量子阱,并研究了多量子阱的光學(xué)性能。研究表明,ZnO/Zn0.9Mg0.10多量子阱結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了高效的勢阱層內(nèi)激子發(fā)射以及載流子注入。另外,通過改變量子阱的阱寬可以實(shí)現(xiàn)激子發(fā)射波長在較大