原子层沉积方法制备非极性面ZnO异质结及其物性研究

论文摘要

ZnO因为具有较大的激子束缚能（大约60meV）,使其在紫外发光二极管和激光二极管方面具有了很好的应用前景。但是由于p型ZnO的不稳定性,导致ZnO的同质结很难得到。虽然有相关研究报道了ZnO同质结的LED,但是其发光强度非常弱。因此,更多的研究集中在将ZnO沉积在各种p型衬底上,制作ZnO异质结。ZnO一般具有纤锌矿结构,其沿[0001]方向上存在着极化电场,这个电场会将电子和空穴分离开,不利于发光。解决这个问题最好的方法即是制作半极性面或非极性面的发光二极管器件。本论文研究使用原子层沉积方法沉积的ZnO薄膜的结构与性能,以及异质结器件电学、光学性能,主要取得以下研究成果：一、使用原子层沉积技术在p型硅衬底上制备了非极性面ZnO薄膜,制备了n-ZnO/p-Si异质结,并通过插入10nm的Al2O3缓冲层进一步改善了异质结的结构、光学和电学性质。二、运用原子层沉积技术成功在GaN（0002）上生长得到了半极性面ZnO,其生长方向为[70-74],并通过XRD和HRTEM等测试研究了其独特的结构。并且,加工了半极性面ZnO/GaN异质结,获得极小电流密度就可以驱动的异质结发光二极管。通过插入A1203缓冲层后,ZnO的生长方向变为了[10-10],制备了非极性面ZnO异质结LED,该异质结LED具有正反向不同颜色发光的性质。此外,通过InGaN插入层,可以大大提高ZnO薄膜的晶体质量,探索了可直接发射白光的ZnO/InGaN/GaN异质结发光二极管。三、运用分子束外延和原子层沉积技术在r面、m面蓝宝石衬底上生长得到了非极性面、半极性面GaN、ZnO薄膜,研究了其结构特性,并在r面蓝宝石衬底上制作了a面ZnO/GaN异质结发光二极管。该论文提出了应用一种新的生长方法制备非极性面ZnO异质结LED,对用原子层沉积方式制备非极性面ZnO发光器件做了一定的研究和探索。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 引言
• 1 绪论
• 1.1 Ⅲ族氮化物材料的基本性质
• 1.1.1 Ⅲ族氮化物基材料简介
• 1.1.2 Ⅲ族氮化物材料的能带结构
• 1.1.3 GaN的晶体结构
• 1.1.4 Ⅲ族氮化物材料的极化效应
• 1.1.5 GaN材料的生长历程
• 1.2 ZnO材料的基本性质
• 1.2.1 ZnO材料简介
• 1.2.2 ZnO的晶体结构
• 1.2.3 ZnO的光学性质
• 1.3 异质结
• 1.3.1 异质结的发展
• 1.3.2 半导体异质结的基本特性
• 1.3.3 半导体异质结的应用
• 2 材料生长设备及表征手段
• 2.1 原子层沉积
• 2.1.1 原子层沉积技术简介
• 2.1.2 原子层沉积技术生长原理
• 2.1.3 原子层沉积特点
• 2.1.4 原子层沉积设备结构
• 2.2 分子束外延
• 2.2.1 分子束外延的发展及特点
• 2.2.2 分子束外延设备的结构
• 2.2.3 分子束外延生长原理
• 2.2.4 分子束外延原位监测技术
• 2.3 高分辨X射线衍射
• 2.4 透射电子显微镜
• 2.5 光致发光
• 3 m面ZnO/Si异质结制备及物性研究
• 3.1 引言
• 2O₃和ZnO薄膜'>3.2 ALD生长Al₂O₃和ZnO薄膜
• 2O₃'>3.2.1 ALD生长Al₂O₃
• 3.2.2 ALD生长ZnO
• 3.3 ZnO/Si异质结
• 3.3.1 XRD结果分析
• 3.3.2 HRTEM结果分析
• 3.3.3 PL结果分析
• 3.3.4 Ⅰ-Ⅴ结果分析
• 3.4 小结
• 4 非极性、半极性面ZnO/GaN异质结制备及物性研究
• 4.1 引言
• 4.2 ZnO/GaN异质结
• 4.2.1 XRD结果分析
• 4.2.2 HRTEM结果分析
• 4.2.3 极图结果分析
• 4.2.4 ZnO和GaN薄膜PL结果分析
• 4.2.5 异质结Ⅰ-Ⅴ结果分析
• 4.2.6 异质结EL结果分析
• 2O₃/GaN异质结'>4.3 ZnO/Al₂O₃/GaN异质结
• 4.3.1 XRD结果分析
• 4.3.2 HRTEM结果分析
• 4.3.3 PL结果分析
• 4.3.4 Ⅰ-Ⅴ结果分析
• 4.3.5 Ⅰ-Ⅴ结果分析
• 4.3.6 能带图分析
• 4.4 ZnO/InGaN/GaN异质结
• 4.4.0 引言
• 4.4.1 ZnO/InGaN/GaN异质结HRTEM结果分析
• 4.4.2 ZnO/InGaN/GaN异质结PL结果分析
• 4.4.3 ZnO/InGaN/GaN异质结Ⅰ-Ⅴ结果分析
• 4.4.4 ZnO/InGaN/GaN异质结PL结果分析
• 4.4.5 ZnO/InGaN/GaN异质结EL结果分析
• 4.4.6 色度图结果分析
• 4.4.7 ZnO/InGaN/GaN异质结反向电压下的EL结果分析
• 4.5 小结
• 5 非极性面、半极性面ZnO和GaN的生长
• 5.1 引言
• 5.2 半极性面、非极性面GaN的生长
• 5.2.1 半极性面GaN
• 5.2.2 非极性面GaN
• 5.3 非极性面ZnO的生长
• 5.3.1 a面ZnO
• 5.3.2 m面ZnO
• 5.4 非极性面ZnO/GaN异质结
• 5.5 小结
• 6 总结与展望
• 6.1 主要研究成果
• 6.2 展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的学术论文
• 致谢