ZnO薄膜的生长特性及掺杂研究

论文摘要

近年来,ZnO材料以其在短波长发光器件、压电传感器、透明导电极、太阳能电池以及表面声波器件等领域的广泛应用,吸引着人们越来越多的关注。ZnO具有3.37eV的禁带宽度,与同为宽禁带半导体的GaN相比,ZnO具有更高的激子束缚能、更好的稳定性以及更低廉的制备成本,这些优势使得最近10年来对ZnO的研究日益升温。同时,我们也注意到当前制约ZnO发展的一个难题,那就是稳定的可重复的p型ZnO的制备。尽管最近几年人们在ZnO的p型掺杂方面取得了很多进展,但是距离实际应用尚有一定的差距。同时,对于未掺杂ZnO的理论研究,包括生长条件、缺陷类型以及发光机理等问题还缺乏足够深入的探索。基于上述背景,本论文围绕着材料生长、结构形貌、光电特性以及p型掺杂等方面,开展了一系列工作,具体可分为如下几个方面:1.在磁控溅射设备上制备了高取向的ZnO薄膜,研究了衬底温度、生长气氛和溅射功率等参数对薄膜结构和形貌的影响,在优化的生长条件下实现了Si基ZnO薄膜的高质量生长;利用变温PL光谱,详细分析了未掺杂ZnO薄膜在低温下的光致发光特性,确认了各发光峰的来源;计算的结果表明,低温下占主导地位的中性束缚激子复合发光很可能来自于H杂质。2.研究了热退火对ZnO薄膜结构和光电特性的影响。透射和吸收光谱的测量表明,800℃下氧气退火能够有效地提高薄膜的可见光透过率和光学带隙;XPS分析发现,退火后薄膜中的O空位明显减少,薄膜组分更符合理想化学计量比:Ⅰ—Ⅴ特性测量表明,ZnO/Si异质结在退火之后具有更好的二极管整流特性。因此,适当的后期退火能提高ZnO薄膜的光学和电学性能。3.研究了Al2O3过渡层对ZnO薄膜结构形貌和发光特性的影响。XRD和GIXRD的结果表明,过渡层的引入能有效地减小ZnO薄膜与Si衬底间的失配,使得ZnO薄膜中的应力充分弛豫;AFM表面分析可以看出,过渡层上生长的ZnO薄膜粗糙度明显降低,更趋向于二维平面生长模式;比较PL光谱发现,过渡层能够增加ZnO薄膜的激子复合几率,提高其紫外发射强度。这些结果表明,Al2O3过渡层大大提高了Si基生长ZnO薄膜的晶体质量。4.采用热氧化法制备了ZnO∶N薄膜,分析了后期退火温度对掺杂薄膜结构形貌和光电特性的影响,发现N在掺杂薄膜中有施主和受主两种状态,通过退火温度的变化,可以控制N受主的形成;通过ZnO∶N薄膜的变温PL光谱,计算出N在ZnO中的受主能级位置;ZnO同质结的Ⅰ—Ⅴ整流特性表明ZnO∶N薄膜有转化成p型的趋势。我们的结果为进一步获得p型ZnO材料提供了理论依据和宝贵经验。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 ZnO的结构和性质
• 1.2.1 ZnO的晶体结构
• 1.2.2 ZnO的基本性质
• 1.2.3 ZnO的能带结构
• 1.2.4 ZnO的光学性质
• 1.2.5 ZnO的电学性质
• 1.3 ZnO材料的生长
• 1.3.1 ZnO单晶的生长
• 1.3.2 ZnO薄膜的生长
• 1.4 ZnO薄膜的应用
• 1.4.1 透明电极
• 1.4.2 压敏元件
• 1.4.3 气敏元件
• 1.4.4 发光器件
• 1.4.5 紫外探测器
• 1.5 本论文研究内容和意义
• 1.5.1 本论文的选题背景
• 1.5.2 本论文的主要内容
• 参考文献
• 第二章 ZnO薄膜的磁控溅射生长及光致发光特性
• 2.1 引言
• 2.2 实验设备介绍
• 2.3 ZnO薄膜的制备过程
• 2.4 溅射参数对生长ZnO薄膜的影响
• 2.4.1 生长温度对ZnO薄膜的影响
• 2.4.2 生长气氛对ZnO薄膜的影响
• 2.4.3 溅射功率对ZnO薄膜的影响
• 2.5 ZnO薄膜的光致发光特性研究
• 2.5.1 PL光谱测量的原理和装置
• 2.5.2 ZnO薄膜的低温紫外发光机理
• 2.5.3 ZnO薄膜的低温紫外PL光谱分析
• 2.5.4 激子复合发光能量与温度的关系
• 2.5.5 激子复合发光强度与温度的关系
• 2.5.6 ZnO薄膜的低温可见PL光谱分析
• 2.6 本章小结
• 参考文献
• 第三章 热退火对ZnO薄膜的影响
• 3.1 样品的制备和表征
• 3.1.1 样品制备
• 3.1.2 样品表征
• 3.2 结果与讨论
• 3.2.1 退火温度的选择
• 3.2.2 ZnO薄膜的XPS谱
• 3.2.3 ZnO薄膜的透射光谱
• 3.2.4 ZnO薄膜的吸收光谱
• 3.2.5 n-ZnO/p-Si异质结的I-V特性
• 3.3 本章小结
• 参考文献
• 2O₃过渡层对ZnO薄膜的影响'>第四章 Al₂O₃过渡层对ZnO薄膜的影响
• 4.1 引言
• 4.2 过渡层理论模型
• 4.3 实验过程
• 4.3.1 样品制备
• 4.3.2 样品表征
• 4.4 结果与讨论
• 2O₃过渡层'>4.4.1 优化条件生长Al₂O₃过渡层
• 2O₃过渡层对ZnO薄膜形貌的影响'>4.4.2 Al₂O₃过渡层对ZnO薄膜形貌的影响
• 2O₃过渡层生长ZnO薄膜的GIXRD谱'>4.4.3 Al₂O₃过渡层生长ZnO薄膜的GIXRD谱
• 2O₃过渡层生长ZnO薄膜的Raman散射光谱'>4.4.4 Al₂O₃过渡层生长ZnO薄膜的Raman散射光谱
• 2O₃过渡层对ZnO薄膜发光的影响'>4.4.5 Al₂O₃过渡层对ZnO薄膜发光的影响
• 4.5 本章小结
• 参考文献
• 第五章 ZnO薄膜的N掺杂
• 5.1 引言
• 5.2 样品的制备和表征
• 5.2.1 样品制备
• 5.2.2 样品表征
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 N掺杂ZnO薄膜的XRD谱
• 5.3.2 N掺杂ZnO薄膜的XPS谱
• 5.3.3 N掺杂ZnO薄膜的EPR谱
• 5.3.4 N掺杂ZnO薄膜的形貌
• 5.3.5 N掺杂ZnO薄膜的Raman谱
• 5.3.6 N掺杂ZnO薄膜的PL光谱
• 5.3.7 N掺杂ZnO薄膜的Hall效应测量
• 5.3.8 N掺杂ZnO薄膜的I-V特性
• 5.4 本章小结
• 参考文献
• 第六章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 致谢
• 在读期间发表的学术论文与取得的研究成果