ZnO納米材料的制備、物性及場(chǎng)發(fā)射原型器件研究.pdf

1、第三代半導(dǎo)體材料中的ZnO和GaN的禁帶寬度都在3.4 eV左右,它們的發(fā)光波長(zhǎng)在紫外波段,這個(gè)屬性使得它們?cè)诎雽?dǎo)體材料中處于不可取代的位置. 氧化鋅(ZnO)是一種直接寬帶隙化合物半導(dǎo)體材料,其室溫禁帶寬度為3.37eV,激子束縛能為60meV,遠(yuǎn)高于其它半導(dǎo)體材料,如已經(jīng)在藍(lán)紫光波段發(fā)光器件方面得到廣泛應(yīng)用的GaN材料的激子束縛能只有26meV;由于ZnO中的激子能夠在室溫及以上溫度下穩(wěn)定存在,而且由激子.激子散射誘發(fā)的受激

2、輻射的閾值要比電子.空穴等離子體復(fù)合的受激輻射閾值低的多,故ZnO是制備室溫和更高溫度下的半導(dǎo)體激光器(LDs)的理想材料.ZnO還是目前所有材料中納米結(jié)構(gòu)最為豐富的材料,現(xiàn)在諸多研究者已成功生長(zhǎng)了如納米線、納米管、納米帶、納米環(huán)等,它們會(huì)具有量子限域效應(yīng);ZnO的納米結(jié)構(gòu)在制備納米光電子器件和納米電子器件方面有很好的應(yīng)用價(jià)值,另外,ZnO的納米結(jié)構(gòu)還可以在場(chǎng)發(fā)射、醫(yī)療、生物傳感等領(lǐng)域得到應(yīng)用. 為了實(shí)現(xiàn)納米ZnO在微納電子器件

3、和發(fā)光器件方面的應(yīng)用,采用非金屬催化劑的自催化生長(zhǎng)(采用金屬催化劑,金屬雜質(zhì)會(huì)擴(kuò)散進(jìn)入材料中,并最終形成深能級(jí)缺陷,有可能影響器件的穩(wěn)定性),獲得高質(zhì)量的納米ZnO材料這也是值得研究的.在此基礎(chǔ)上,對(duì)納米結(jié)構(gòu)進(jìn)行有意的元素?fù)诫s,提高ZnO納米結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電性能以及穩(wěn)定性也是以后制作微納電子器件和發(fā)光器件所必需的.近年來(lái),場(chǎng)發(fā)射顯示技術(shù)作為一種新型的自發(fā)光平板顯示技術(shù),其具備以下優(yōu)點(diǎn):(1)冷陰極發(fā)射;(2)自發(fā)光和高亮度;(3)寬視角;(4

4、)高速響應(yīng)等.ZnO納米陣列具有良好的場(chǎng)發(fā)射性能,是一種良好的場(chǎng)發(fā)射陰極材料,一些研究者進(jìn)行了這一方面的研究,但仍處于探索階段.如何進(jìn)一步降低場(chǎng)發(fā)射閾值場(chǎng)強(qiáng),如何進(jìn)一步提高其場(chǎng)致發(fā)射性能的技術(shù)指標(biāo)和穩(wěn)定性并制作原型器件等等都需要研究.另外ZnO納米線LED簡(jiǎn)單原型已有報(bào)道,將來(lái)有可能實(shí)現(xiàn)ZnO的納米發(fā)光器件,為了拓寬納米ZnO發(fā)光波長(zhǎng)范圍及獲得更高效的發(fā)光,對(duì)其摻入Mg和Cd進(jìn)行能帶調(diào)控也是值得進(jìn)行研究的. 本文第一部分以熱蒸發(fā)

5、法實(shí)現(xiàn)了納米ZnO非金屬催化劑的自催化生長(zhǎng),分析了我們所采用的方法的生長(zhǎng)機(jī)理.在此基礎(chǔ)上,對(duì)生長(zhǎng)的納米ZnO陣列進(jìn)行了Al摻雜的研究,深入分析了Al在ZnO禁帶中的能級(jí)位置.在生長(zhǎng)了摻Al納米ZnO陣列的基礎(chǔ)上,我們采用不同的緩沖層優(yōu)化了納米ZnO陣列的場(chǎng)發(fā)射性能,并制作了場(chǎng)發(fā)射顯示原型器件.為了實(shí)現(xiàn)能帶調(diào)制,進(jìn)行了合金化Mg和Cd的研究.生長(zhǎng)了兩種具有特殊形貌的ZnMgO和 ZnCdO納米結(jié)構(gòu).主要結(jié)果如下: (1) 首次采用

6、醋酸鋅(ZA)作為自催化生長(zhǎng)納米ZnO的原料,在兩種不同的初始溫度得到了輻射狀和準(zhǔn)陣列的ZnO納米棒.分析認(rèn)為不同形貌的直接原因在于兩種樣品的初始生長(zhǎng)溫度不同,形成了兩種不同的形核層,從而使得最終的形貌呈現(xiàn)出兩種結(jié)構(gòu). (2) 在此基礎(chǔ)上,首次生長(zhǎng)了摻Al的準(zhǔn)陣列的ZnO亞微米棒.C-AFM(導(dǎo)電探針原子力顯微鏡)的分析測(cè)試表明Al的摻入很明顯的提高了ZnO亞微米棒的電學(xué)性能. 光學(xué)性能的研究發(fā)現(xiàn)表明:①Al更確切的施主

7、能級(jí)約～90meV;②在Al摻雜ZnO亞微米結(jié)構(gòu)中,室溫NBE是由束縛在表面缺陷上的激子復(fù)合和其一級(jí)LO聲子疊加而成;③摻Al引起了吸收邊藍(lán)移,而室溫PL卻發(fā)生了紅移.這些新的發(fā)現(xiàn)幫助我們更清楚地理解了Al在 ZnO中的雜質(zhì)能級(jí). (3)以磁控濺射Au層作為初始的過(guò)渡層生長(zhǎng)了Al摻雜的ZnO納米陣列,測(cè)試了其場(chǎng)發(fā)射性能,其閾值電場(chǎng)為4.5V/μm.與最近一些文獻(xiàn)報(bào)道的指標(biāo)(閾值場(chǎng)強(qiáng)4.3V/μ m-19.1 V/μ m)在同一水

8、平,并獲得了場(chǎng)致發(fā)射顯示. (4) 首次生長(zhǎng)了樹枝狀的ZnMgO納米棒.研究表明初始摻入的Mg是以MgO的分相形式存在的,經(jīng)過(guò)800℃退火后MgO最終轉(zhuǎn)變?yōu)榱较郱nMgO,并使其相應(yīng)的PL譜中有藍(lán)移現(xiàn)象,退火樣品的帶邊輻射藍(lán)移了6nm(0.05eV). 采用高純Zn粉,醋酸鋅(ZA)和氯化鎘的混合粉生長(zhǎng)了寶塔型的ZnCdO亞微米棒.摻入0.9at.﹪的Cd使得有效帶隙成為3.23eV,小于ZnO的有效帶隙. G

9、aN 作為已在商業(yè)領(lǐng)域獲得很大成功的第三代半導(dǎo)體,依然是學(xué)術(shù)界研究的熱點(diǎn).如何在Si襯底上生長(zhǎng)高質(zhì)量GaN為以后的光電集成奠定基礎(chǔ)也是GaN的研究者們所努力探索的一個(gè)方向.本文第二部分采用MOCVD法進(jìn)行了Si襯底上生長(zhǎng)GaN的研究.生長(zhǎng)了無(wú)微裂的高質(zhì)量GaN外延膜,并對(duì)其進(jìn)行了結(jié)構(gòu)、形貌等的測(cè)試分析研究,最后運(yùn)用高分辨XRD對(duì)于位錯(cuò)以及外延關(guān)系進(jìn)行了研究.現(xiàn)簡(jiǎn)要介紹如下:(5)預(yù)沉積合適的TMAl可以有效的防止Si襯底的氮化,采用10