MOCVD方法生长单晶ZnO、p型掺杂及同质ZnO-LED室温电致发光研究

2020-11-23阅读(141)

论文摘要

氧化锌（ZnO）是一种直接宽带隙化合物半导体材料,其室温禁带宽度为3.37eV,激子束缚能为60meV,高于室温热能26meV,也远高于其它半导体材料,如已经在蓝紫光波段发光器件方面得到广泛应用的GaN材料的激子束缚能只有25meV;由于ZnO中的激子能够在室温及以上温度下稳定存在,而且由激子-激子散射诱发的受激辐射的阈值要比电子-空穴等离子体复合的受激辐射阈值低得多,故ZnO是制备室温和更高温度下的半导体激光器（LDs）的理想材料,而GaN基的半导体激光器必须借助于其多量子阱或超晶格结构。在半导体发光器件应用方面,ZnO还有其它优势,如具有体单晶ZnO衬底材料、晶体常数与纯ZnO本身非常接近的MgZnO和ZnCdO三元合金,这些都是将来实现ZnO基发光器件的有利条件。ZnO还有丰富多样的纳米结构,如纳米线、纳米管、纳米带、纳米环等,它们会具有量子限制效应,如电子量子传输和辐射复合增强效应;ZnO的纳米结构在制备纳米光电子器件和纳米电子器件方面有很好的应用价值,另外,ZnO的纳米结构还可以在场发射、医疗、生物传感等领域得到应用。可是性能良好的p型ZnO材料的制备问题成为了近年来实现ZnO基发光器件突破的瓶颈,这也就成为了ZnO研究工作者的研究焦点和重点,成功制备ZnO同质发光二极管（LED）是回答这个问题最直接的方法。由于ZnO纳米材料具有丰富的结构形态、应用前景和科学研究价值,人们广泛开展了对ZnO纳米结构的研究,其中探索制备新的ZnO纳米结构、实现ZnO结构的重复与可控制备及其应用开发是当前研究的热点。本文发明了一台MOCVD设备和两种能够实现ZnO p型掺杂的MOCVD生长方法,并在获得性能优良的p型ZnO的基础上,研制了ZnO基LED原型器件,继日本之后,国际上第二个实现了ZnO pn结室温电注入发光;本文还使用MOCVD方法生长了ZnO外延薄膜,研制出首个ZnO单晶纳米管,可控生长出ZnO纳米线,以及得到了新形态的ZnO纳米网络结构材料。现简要介绍如下: （1）设计并研制了一台生长ZnO专用的MOCVD设备,并获得了此设备的发明专利;使用该设备实现了ZnO的p型掺杂和外延薄膜与纳米结构的生长。（2）首先利用MOCVD技术在硅衬底上可控生长了排列整齐的ZnO纳米线阵列,并研究了ZnO纳米线发光特性和场发射性能,说明了直径～10nm的

论文目录

摘要

Abstract

第一章前言

第二章文献综述

2.1 ZnO的基本性质

2.2 ZnO的结构形态

2.2.1 ZnO体单晶

2.2.2 ZnO薄膜

2.2.2.1 分子束外延

2.2.2.2 MOCVD

2.2.2.3 脉冲激光沉积

2.2.2.4 溅射

2.2.3 ZnO纳米结构

2.3 ZnO的光电性能与应用

2.3.1 ZnO的能带结构

2.3.2 ZnO的光学性能

2.3.3 未掺杂ZnO的电学性能

2.4 ZnO的本征缺陷和掺杂

2.4.1 ZnO的本征缺陷

2.4.2 ZnO的非故意掺杂和n型掺杂

2.4.3 ZnO的p型掺杂

2.4.3.1 本征p型ZnO

2.4.3.2 Ⅴ主族元素掺杂

2.4.3.3 Ⅰ族元素掺杂

2.4.3.4 施主-受主共掺

2.5 ZnO的p-n结及其电致发光

2.5.1 异质p-n结

2.5.2 同质p-n结

第三章 MOCVD原理和工艺

3.1 MOCVD的基本原理

3.2 ZnO生长专用MOCVD系统的研制

3.2.1 预制MOCVD系统

3.2.2 配备射频等离子体的先进MOCVD系统

3.3 实验

3.3.1 实验原料

3.3.2 实验工艺过程

3.3.3 性能表征

第四章单晶ZnO纳米结构

4.1 单晶ZnO纳米线

4.1.1 生长温度对ZnO纳米线的影响

4.1.2 成核层对ZnO纳米线的影响

4.1.3 气流对ZnO纳米线的影响及其可控生长

4.1.4 ZnO纳米线的性能

4.1.4.1 ZnO纳米线的光学性能

4.1.4.2 ZnO纳米线的场发射性能

4.2 单晶ZnO纳米管

4.2.1 ZnO纳米管的SEM分析

4.2.2 ZnO纳米管的XRD分析

4.2.3 ZnO纳米管的TEM分析

4.2.4 ZnO纳米管的EDS分析

4.2.5 ZnO纳米管的生长机理探讨

4.2.6 ZnO纳米管的光学性能

4.3 ZnO纳米网络

4.3.1 ZnO纳米网络的SEM分析

4.3.2 ZnO纳米网络的XRD分析

4.3.3 ZnO纳米网络的TEM分析

4.3.4 ZnO纳米网络的EDS分析

4.3.5 ZnO纳米网络的生长机理探讨

4.3.6 ZnO纳米网络的光学性能

4.4 本章小结

第五章 ZnO单晶薄膜

5.1 衬底温度对ZnO薄膜的影响

5.2 反应物流量对ZnO薄膜的影响

5.3 衬底和缓冲层对ZnO薄膜的影响

5.4 本章小结

2O混合气体掺杂制备p型ZnO薄膜'>第六章 NO与N₂O混合气体掺杂制备p型ZnO薄膜

6.1 衬底温度对ZnO性能的影响

2O流量对ZnO性能的影响'>6.2 N₂O流量对ZnO性能的影响

2O流量比对ZnO性能的影响'>6.3 NO和N₂O流量比对ZnO性能的影响

6.4 DEZn流量对ZnO性能的影响

6.5 掺氮ZnO薄膜的SIMS表征

2O混合气体实现p型掺杂的机理分析'>6.6 NO与N₂O混合气体实现p型掺杂的机理分析

6.7 本章小结

第七章等离子体辅助生长p型ZnO薄膜

7.1 生长温度对ZnO性能的影响

7.1.1 生长温度对ZnO结晶和形貌特性的影响

7.1.2 生长温度对ZnO电学性能的影响

7.1.3 生长温度对ZnO光学特性的影响

7.2 射频电源功率对ZnO性能的影响

7.2.1 射频电源功率对ZnO结晶和形貌的影响

7.2.2 射频电源功率对ZnO电学性能的影响

7.3 DEZn流量对ZnO性能的影响

7.3.1 DEZn流量对ZnO结晶和形貌的影响

7.3.2 DEZn流量对ZnO电学性能的影响

7.4 关于射频等离子体辅助N掺杂制备p型ZnO的思考

7.5 本章小结

第八章同质ZnO发光二极管的制备与性能

8.1 ZnO同质p-n结的制备

8.2 欧姆接触

8.3 ZnO同质p-n结的Ⅰ-Ⅴ特性

8.4 ZnO同质p-n结的室温电致发光特性

8.5 同质ZnO-LED电致发光性能的比较与提高思路

8.6 本章小结

第九章总结

参考文献

致谢

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