正电子对ZnO和GaN宽带隙半导体中缺陷的研究

论文摘要

近年来，以ZnO和GaN为代表的第三代半导体材料由于其独特的物理特性引起了科研人员极大的研究兴趣，这些材料中的点缺陷是影响其性能的重要因素，因此准确鉴别和量化材料中的点缺陷就显得尤为重要。正电子湮灭谱学（Positron arnnihilationspectroscopy）是研究材料微缺陷的一个重要手段，因其无损、灵敏度高等特点而在材料研究中得到了广泛的应用和越来越多的重视。本论文主要利用正电子湮没技术同时结合光致发光谱等测试手段对ZnO块材、ZnO薄膜和GaN薄膜中缺陷进行了广泛深入研究，此外论文内容还包含了对慢正电子谱仪的升级改造工作。其主要内容如下： ● 对ZnO块材中缺陷研究 1．块材中缺陷的有关计算 利用Doppler程序计算了正电子在ZnO块材中不同缺陷处寿命：完整晶格中正电子寿命τb=178ps，氧空位处τvo=180.7ps，锌原子单空位处τvZn=235.8ps。给出了ZnO中锌原子、氧原子主要壳层的电子的动量分布。在Doppler展宽谱中，正电子湮没后释放的γ光子的纵向动量即湮没电子的纵向动量PL＜4×10-3m0c部分，主要与Zn原子的4s电子发生湮没；4×10-3m0c＜PL＜9×10-3m0c正电子主要与O原子的2p电子发生湮没；PL＞9×10-3m0c，Zn原子的3d电子与正电子的湮没几率最大。 2．ZnO块材中的原生缺陷 用正电子寿命谱、符合多普勒展宽谱和光致发光谱多种测试手段研究了ZnO块材中原生缺陷类型、浓度及原生缺陷与退火温度之间的变化关系。正电子寿命测量表明了正电子在材料中缺陷处寿命为237ps附近，和理论上正电子在锌单空位处寿命非常吻合，结合材料中各种缺陷形成能的大小，可以判断ZnO块材中存在锌原子单空位。同时发现ZnO块材在600℃以下退火时，ZnO不会发生分解；高于600℃退火，ZnO块材发生分解，分解产生的锌填隙原子和材料中的锌空位复合，使得锌空位浓度降低，同时由于氧原子的逸出，材料中的氧空位浓度增加。 3．电子辐照后ZnO块材中缺陷 用正电子寿命谱、符合多普勒展宽谱和光致发光谱多种测试手段测量了电子辐照后ZnO块材中缺陷随退火温度的变化关系。结果表明：电子辐照使ZnO块材中的锌空位浓度增加，同时电子辐照还引入了Zni、Vo和Oi这些缺陷。在600℃以下退火，由电子辐照产生的锌填隙原子就可以和材料中

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 第一章 引言
• 1.1 ZnO材料物理性质及其应用
• 1.2 ZnO中缺陷对材料性能的影响
• 1.2.1 对其晶体结构的影响
• 1.2.2 对其电学性能的影响
• 1.2.3 对其光学性能的影响
• 1.3 ZnO中缺陷的研究进展
• 1.3.1 ZnO中缺陷的理论结果
• 1.3.2 ZnO中缺陷的实验结果
• 1.3.3 正电子湮没技术对ZnO中缺陷的表征
• 1.4 正电子湮没谱学概述
• 1.4.1 固体中正电子的动力学过程
• 1.5 正电子湮没技术
• 1.6 论文结构
• 第二章 慢正电子谱仪的升级改造
• 2.1 慢正电子束流概况
• 2.2 新慢正电子束系统
• 第三章 正电子对ZnO块材中缺陷研究
• 3.1 ZnO中正电子行为的理论描述
• 3.1.1 正电子理论简介
• 3.1.2 计算电子动量分布密度
• 3.1.3 Doppler程序包
• 3.2 ZnO块材中的原生缺陷
• 3.2.1 实验
• 3.2.2 正电子寿命谱结果与分析
• 3.2.3 符合多普勒展宽谱结果与分析
• 3.2.4 光致发光谱的结果与分析
• 3.2.5 实验结果的综合分析
• 3.3 电子辐照对ZnO中缺陷影响
• 3.3.1 实验
• 3.3.2 正电子寿命谱结果与分析
• 3.3.3 符合多普勒展宽谱结果与分析
• 3.3.4 光致发光谱结果与分析
• 3.3.5 小结
• 3.3.6 慢正电子对块材ZnO的研究
• 第四章 正电子对ZnO和GaN薄膜中缺陷研究
• 4.1 氧含量对ZnO薄膜中缺陷的影响
• 4.1.1 引言
• 4.1.2 实验
• 4.1.3 结果与讨论
• 4.1.4 小结
• 4.2 退火环境对ZnO薄膜中缺陷的影响
• 4.2.1 引言
• 4.2.2 实验
• 4.2.3 结果与讨论
• 4.2.4 小结
• 4.3 掺杂对ZnO薄膜中缺陷影响
• 4.3.1 引言
• 4.3.2 实验
• 4.3.3 结果与讨论
• 4.3.4 小结
• 4.4 正电子对不同极性的GaN薄膜中缺陷研究
• 4.4.1 实验
• 4.4.2 结果与讨论
• 4.4.3 小结
• 参考文献
• 附录
• 读博士期间发表论文