ZnO薄膜的常壓MOCVD生長及摻雜研究.pdf

1、氧化鋅(ZnO)是一種重要的化合物半導(dǎo)體光電材料，它具有良好的物理特性：直接帶隙能帶結(jié)構(gòu)、室溫禁帶寬度3.37eV、激子束縛能60meV，是制備紫外發(fā)光二極管、特別是制備室溫紫外半導(dǎo)體激光器的優(yōu)選材料。可是性能良好的P型ZnO材料的制備問題一直以來成為實現(xiàn)ZnO基發(fā)光器件突破的瓶頸。近幾年來，盡管國際上P型ZnO薄膜的制備取得了重要進(jìn)展，但是可實用的ZnO發(fā)光器件仍沒有制備成功。特別是在用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(MOCVD)法生長ZnO薄

2、膜及其P型摻雜方面，還需要更多的研究，否則ZnO基發(fā)光器件將難以產(chǎn)業(yè)化。在這樣的背景下，本論文開展ZnO薄膜的MOCVD生長及其摻雜性質(zhì)研究。 本論文主要是采用自制常壓MOCVD系統(tǒng)，以去離子水(H<,2>O)和二乙基鋅(DEZn)為源材料，在藍(lán)寶石(0001)襯底上進(jìn)行ZnO薄膜的制備、摻雜等相關(guān)內(nèi)容研究。在課題研究過程中，本文主要獲得了以下一些有意義和有創(chuàng)新性的研究結(jié)果： 1、首次提出了在外延層生長過程中引入少量腐蝕

3、性氣體來提高ZnO薄膜的晶體質(zhì)量。研究實驗結(jié)果表明，在外延層生長過程中引入少量的H<,2>和NH<,3>都有利于提高ZnO的晶體質(zhì)量，但是引入H<,2>將會影響ZnO薄膜的表面形貌和電學(xué)性能，而引入少量的NH<,3>后，ZnO薄膜的表面形貌、晶體質(zhì)量、室溫電子遷移率、低溫10K下的激子發(fā)光及其聲子伴線均變好，其(0002)和幾何傾斜對稱(10-12)面的雙晶X射線衍射(DCXRD)Omega(ω)搖擺曲線半峰寬(FWHM)分別為132弧

4、秒(″)和235弧秒(″)。金相顯微鏡結(jié)果顯示ZnO薄膜中的平均晶粒尺寸直徑大小20μm，為當(dāng)前文獻(xiàn)中MOCVD法生長ZnO薄膜的最大值，本文的這一實驗結(jié)果也正好體現(xiàn)了用常壓MOCVD方法生長ZnO薄膜能獲得大的晶粒尺寸特點(diǎn)。 2、研究了高溫緩沖層厚度、外延層的生長速率以及富Zn環(huán)境對ZnO薄膜生長的影響，優(yōu)化了生長工藝參數(shù)。在保持較高的晶體質(zhì)量前提下，得到了生長速率為4.2μm/h的ZnO單晶薄膜。據(jù)我們所知，這一生長速率是目

5、前文獻(xiàn)用MOCVD生長ZnO薄膜的最大報道值，較快生長速率和較高結(jié)晶質(zhì)量對今后ZnO薄膜的規(guī)模化生產(chǎn)是十分有利的。 3、采用常壓MOCVD方法在藍(lán)寶石(0001)襯底上成功地制備出高質(zhì)量的、高可見光透過率的、低電阻率的Al摻雜型ZnO透明導(dǎo)電薄膜(AZO)，其(0002)和(10-12)面DCXRD的ω?fù)u擺曲線FWHM分別為289″和406″。據(jù)我們所知，這是首次報道AZO薄膜有幾何傾斜對稱(10-12)面DCXRD的ω?fù)u擺曲線

6、結(jié)果。本文制備出的AZO透明導(dǎo)電薄膜的可見光透過率超過90％，電阻率在9.72×10<'-4>Ω．cm 范圍內(nèi)。這些參數(shù)與目前文獻(xiàn)報道所制備的AZO薄膜最好的結(jié)果相當(dāng)。 4、利用常壓MOCVD技術(shù)以氨氣(NH<,3>)作為摻雜源進(jìn)行ZnO薄膜的p型摻雜研究，對NH<,3>摻雜溫度、NH<,3>摻雜方式以及NH<,3>摻雜流量等重要影響參數(shù)進(jìn)行了探討。在優(yōu)化的條件下，通過NH<,3>摻雜最終獲得了p型ZnO薄膜。金相顯微鏡和DCX

7、RD測試結(jié)果表明，該p型ZnO薄膜具有平整的薄膜表面和好的結(jié)晶性能，其(0002)和(10-12)面的的ω?fù)u擺曲線FWHM分別為246″和368″。光致發(fā)光(PL：Photoluminescence)測試結(jié)果表明，該p型ZnO薄膜的10K低溫和室溫PL中都能觀察到非常強(qiáng)的與N替代O受主相關(guān)的發(fā)光峰。室溫霍爾測量結(jié)果表明：p 型 ZnO 薄膜的空穴濃度約為10<'16>～10<'17>cm<'-3>，遷移率為3～10cm<'2>/V.S。

8、該p型ZnO薄膜為研制ZnO同質(zhì)p-n結(jié)奠定了良好的基礎(chǔ)。 5、采用常壓MOCVD方法在藍(lán)寶石襯底上用Al和N做摻雜劑生長了具有p-n結(jié)構(gòu)的ZnO同質(zhì)結(jié)外延材料。采用Ti/Au和Ni/Au合金分別做n型和p型ZnO薄膜的歐姆接觸，制備出ZnO同質(zhì)p-n結(jié)芯片。在室溫下，該ZnO同質(zhì)p-n結(jié)具有典型的二極管整流I-V特性，開啟電壓約為5 V(正向電流100μA時)，反向電壓高達(dá)20V(反向電流10μA時)。這一結(jié)果要明顯優(yōu)于文獻(xiàn)報

9、道的結(jié)果。據(jù)我們所知，20V的反向電壓是目前報道ZnO同質(zhì)p-n結(jié)的最大值。對本文所制備的ZnO同質(zhì)p-n結(jié)的穩(wěn)定性測試實驗結(jié)果表明：本文用NH<,3>做摻雜源獲得的p型ZnO的性能穩(wěn)定。 本文以上研究結(jié)果從材料生長手段常壓MOCVD系統(tǒng)的角度來說，均屬國際首次。本文相關(guān)研究結(jié)果已在《Journal of Crystal Growth》、《Journal of Luminescence》以及《Materials Science