ZnO中本征缺陷和摻雜與發(fā)光的關(guān)系及其作用機(jī)理.pdf

1、ZnO是一種直接帶隙的第三代寬禁帶半導(dǎo)體，因其在室溫下約為3.37eV的禁帶寬度和高達(dá)60meV的激子結(jié)合能，而受到了廣泛關(guān)注，被認(rèn)為是有望取代GaN的新一代短波長(zhǎng)光電子材料。隨著ZnO半導(dǎo)體材料制備研究不斷取得進(jìn)展，ZnO基器件特別是光電子器件的研究取得了較大進(jìn)展。但是ZnO基光電子器件仍未達(dá)到實(shí)用化水平，其發(fā)展遇到了瓶頸，因而需要對(duì)ZnO材料的基本問題進(jìn)行深入研究，如ZnO中的雜質(zhì)和缺陷，ZnO的生長(zhǎng)設(shè)備等等。其中ZnO的雜質(zhì)和缺陷

2、研究尤為重要，因?yàn)殡s質(zhì)和缺陷是影響材料性質(zhì)的重要因素，甚至是決定性因素。 基于這樣的背景，本論文著重研究了ZnO中的幾種本征缺陷和摻雜與發(fā)光的關(guān)系，以及它們?cè)赯nO發(fā)光中起到的作用。主要工作如下： 首先，創(chuàng)新性地運(yùn)用Zn擴(kuò)散摻雜方案，研究了Zn擴(kuò)散摻雜所形成的缺陷及其對(duì)ZnO發(fā)光性質(zhì)的影響。通過對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析得出：1)Zn摻雜在ZnO單晶中形成的Zn填隙(Zni)缺陷構(gòu)成離化能約為50meV的施主，是非故意摻雜ZnO的

3、n型導(dǎo)電的主要來源：2)Zni極大地增強(qiáng)了ZnO紫外發(fā)光強(qiáng)度，在ZnO的室溫紫外發(fā)光中起到重要作用。而Zn擴(kuò)散形成的鋅反位缺陷(Zno)則對(duì)可見光產(chǎn)生貢獻(xiàn)；3)在此基礎(chǔ)上首次提出自由激子和施主耦合發(fā)光的新概念，為分析ZnO室溫紫外發(fā)光提供了依據(jù)。 其次，利用氣氛、溫度等方法調(diào)控缺陷的形成，研究ZnO中各種本征缺陷，如Zno、Vo、Ozn等對(duì)ZnO可見發(fā)光的影響。實(shí)驗(yàn)表明，ZnO的可見發(fā)光是多種本征缺陷共同作用的結(jié)果。通過控制熱處

4、理?xiàng)l件(溫度和氣氛)，可以有效改變不同本征缺陷的形成幾率，而使ZnO表現(xiàn)出不同的可見發(fā)光性質(zhì)。系統(tǒng)研究ZnO的本征缺陷對(duì)于開展ZnO的應(yīng)用研究具有重要基礎(chǔ)作用。 最后，研究Ag摻雜對(duì)ZnO光電性質(zhì)的研究。實(shí)驗(yàn)表明，Ag進(jìn)入ZnO后占據(jù)氧位，形成Ag。施主缺陷，在Raman光譜中觀察到相應(yīng)的局域振動(dòng)模，而且在ZnO禁帶中引入新的缺陷能級(jí)。 本論文共有6章。 第一章介紹ZnO的晶體結(jié)構(gòu)、基本物理性質(zhì)、制備方法和應(yīng)用前

5、景，對(duì)固體中的缺陷進(jìn)行了概述，并提出本論文的工作要點(diǎn)。 第二章利用高壓擴(kuò)散方法研究了Zn擴(kuò)散摻雜對(duì)ZnO單晶中缺陷的影響及其對(duì)ZnO單晶紫外發(fā)光的影響。結(jié)果表明，適合Zn摻雜條件可以使ZnO紫外發(fā)光增強(qiáng)近一個(gè)數(shù)量級(jí)，并解釋了產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因，并提出了自由激子和鋅間隙施主耦合發(fā)光的新概念。 第三章研究了ZnO變溫PL譜中近帶邊發(fā)射峰峰位隨溫度變化曲線的規(guī)律，重點(diǎn)研究自由激子和Zn間隙施主耦合發(fā)光的機(jī)理。 第四章利