氮掺杂p型ZnO薄膜材料的制备及光电性质研究

论文摘要

氧化锌（ZnO）是一种具有六方结构的宽禁带Ⅱ-Ⅵ族半导体材料，室温下其激子束缚能高达60meV，这一特性使ZnO具备了室温下高效率激子发光的有利条件。因此，ZnO已经成为低阈值紫外激光器的一种全新候选材料。然而，高质量的p型ZnO难于获得仍是实现ZnO紫外激光器件的最大障碍。目前，对p型ZnO中载流子迁移率过低和p型电导稳定性较差等问题，国际上尚无详细的研究和明确的结论。针对当前ZnO研究工作中的这些关键问题，本论文通过热氧化方法制备氮掺杂的p型ZnO薄膜，研究了ZnO实现转型的过程，分析了影响p型ZnO载流子输运性质的机制，讨论了影响p型ZnO薄膜稳定性的因素，具体的研究工作如下： 1．采用等离子体化学气相沉积及后退火氧化的方法，制备出氮掺杂的p型ZnO薄膜。通过化学成分、结构、表面形貌、光学和电学性质的分析，揭示了氮原子进入氧化锌晶格的氧格位，并被H钝化，在热诱导下逐渐被激活成为有效受主，进而实现了ZnO由n型向p型的转变过程。 2．通过霍尔效应与温度的依赖关系，研究了热氧化方法制备的p型ZnO薄膜的电学性质。重点讨论了各种散射机制包括电离杂质散射、压电散射、声学声子散射、极化光学声子散射、晶界散射和位错散射对空穴载流子迁移率的影响，分析了p型ZnO中载流子迁移率过低的原因。估算出p型ZnO薄膜中氮受主的热离化能是170 meV。 3．讨论了影响p型ZnO薄膜稳定性的因素。研究发现，在黑暗条件下p型ZnO薄膜随时间变化，其电学性质比较稳定；而对光辐照则比较敏感。讨论了光辐照对p型ZnO样品电学性质的影响，并对样品经过光辐照后由p型转为n型这一实验现象做了定性解释，将其归结为表面（或界面）缺陷产生的杂质能级对非平衡电子的陷阱作用。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 目录
• 第一章 引言
• 1.1 ZnO材料的基本性质及应用
• 1.2 ZnO材料的研究热点及进展
• 1.2.1 p型ZnO的研究进展
• 1.2.2 氧化锌低维结构的研究
• 1.2.3 氧化锌器件的研究
• 1.3 氧化锌薄膜研究存在的问题和发展趋势
• 1.4 论文的选题依据和研究内容
• 参考文献
• 第二章 等离子体增强化学气相沉积方法及ZnO:N材料的表征手段
• 2.1 等离子体增强化学气相沉积（PECVD）设备介绍
• 2.1.1 平行圆板形PECVD沉积工艺设备
• 2.1.2 扩散炉形等离子体化学汽相沉积设备
• 2.2 热氧化退火设备
• 2.3 样品的分析和表征手段
• 2.3.1 X射线衍射谱（XRD）
• 2.3.2 场发射扫描电子显微镜（FESEM）
• 2.3.3 原子力显微镜（AFM）
• 2.3.4 X-射线光电子能谱（XPS）
• 2.3.5 晶体的透射和吸收谱
• 2.3.6 拉曼光谱
• 2.3.7 微区光致发光光谱（PL）
• 2.3.8 电学性质测量方法—霍尔效应及其与温度的依赖关系
• 2.4 本章小结
• 参考文献
• 第三章 热氧化氮氧锌薄膜制备p型氧化锌
• 3.1 热氧化PECVD制备的氮氧锌薄膜获得p型氧化锌
• 3.2 热氧化诱导实现氧化锌转型的过程
• 3.2.1 样品的霍尔系数测量
• 3.2.2 样品的结构和形貌分析
• 3.2.3 样品的化学成分分析
• 3.2.4 样品的拉曼光谱分析
• 3.2.5 样品的光学性质分析
• 3.3 本章小结
• 参考文献
• 第四章 p型氧化锌薄膜电学性质和光学特性研究
• 4.1 p型氧化锌样品的制备和表征
• 4.2 p型氧化锌薄膜的电学性质
• 4.2.1 影响p型氧化锌空穴迁移率的散射机制
• 4.3.2 p型氧化锌霍尔迁移率随温度的变化
• 4.3.3 p型氧化锌氮受主的热离化能
• 4.3.4 p型氧化锌电阻率随温度的变化
• 4.4 p型氧化锌薄膜的光学性质
• 4.5 本章小结
• 参考文献
• 第五章 光辐照条件下p型氧化锌薄膜稳定性研究
• 5.1 引言
• 5.2 光辐照对p型ZnO薄膜的电学性质的影响
• 5.2.1 p型ZnO薄膜中的持久n型光电导
• 5.2.2 表面（或界面）态对p型ZnO薄膜电学性质影响
• 5.3 本章小结
• 参考文献
• 第六章 结论
• 作者简介
• 攻读博士学位期间承担的主要工作及成果
• 致谢