MOCVD法制备氧化锌发光器件及薄膜晶体管的研究

论文摘要

氧化锌材料是一种直接带隙宽禁带半导体材料,其在固体照明、信息存储以及显示领域具有巨大的应用潜力。然而,高质量、稳定、可重复的p-ZnO薄膜的制备一直存在较大困难,使得ZnO基高效率紫外发光器件的研究进展缓慢。本论文采用MOCVD技术,围绕高质量ZnO薄膜的制备、ZnO的p型掺杂和ZnO基同质结、异质结发光二极管的制备等方面开展了相关的一系列工作。同时,在制备ZnO薄膜晶体管方面也进行了初步的研究。本论文首先采用MOCVD生长技术在c面蓝宝石、GaN/Al2O3衬底上制备了ZnO薄膜,采用多种测试手段对制备的ZnO薄膜进行了表征分析,重点研究了生长温度以及锌氧比对薄膜结晶质量、形貌以及发光质量等方面的影响。通过实验得到了获得较高质量ZnO薄膜相对优化的生长条件。其次介绍了针对两种v族元素As和P的不同掺杂方法。对于As元素,采用了GaAs夹层的掺杂技术,通过热扩散工艺制备了As掺杂的p型ZnO薄膜。对于P元素,采用了升华的方法,制备出P掺杂的p-ZnO。通过优化生长条件,得到了载流子浓度在1017cm-3量级的p-ZnO薄膜。以前面As掺杂制备p型ZnO的研究为基础,在ITO玻璃衬底上制备出具有紫外电致发光特性的ZnO同质结LED；以P掺杂制备p型ZnO的研究为基础,在n-GaN/Al2O3衬底上制备了p-ZnO:P/n-GaN异质结构的ZnO基发光器件。此外,还在ITO玻璃衬底上制备了基于MIS结构的发光器件。三种器件结构均表现出明显的整流特性,实现了室温下的电致发光。其中,p-ZnO:P/n-GaN异质结构ZnO基发光器件,实现了室温电泵浦紫外光激射。最后,采用MOCVD方法在ITO玻璃衬底表面制备了以MgO为绝缘介质的ZnO薄膜晶体管,优化后器件的开关比达到了105量级。

论文目录

• 内容提要
• 第1章 绪论
• 1.1 ZnO的基本性质
• 1.1.1 ZnO的晶体结构
• 1.1.2 ZnO晶体的能带结构
• 1.1.3 ZnO晶体的基本性质
• 1.1.4 ZnO晶体的电学性质
• 1.2 ZnO材料的应用
• 1.2.1 气敏传感器
• 1.2.2 透明导电膜
• 1.2.3 紫外探测器
• 1.2.4 发光器件
• 1.2.5 薄膜晶体管
• 1.3 本论文主要研究内容
• 第2章 薄膜的制备及表征方法
• 2.1 ZnO薄膜的几种主要制备方法
• 2.1.1 溅射技术（Sputtering）
• 2.1.2 分子束外延技术（Molecular Beam Epitaxy）
• 2.1.3 脉冲激光沉积技术（Pulsed Laser Deposition）
• 2.2 MOCVD的基本原理及设备
• 2.2.1 MOCVD技术简介
• 2.2.2 本论文中的专用MOCVD反应系统
• 2.3 薄膜及器件的表征技术简介
• 2.3.1 X射线衍射（XRD）
• 2.3.2 扫描电子显微镜（SEM）
• 2.3.4 光致发光（PL）
• 2.3.5 霍尔效应（Hall）
• 2.3.6 半导体特性测试系统（Keithley4200-SCS）
• 2O₃及GaN/Al₂O₃衬底上ZnO薄膜的生长和特性研究'>第3章 Al₂O₃及GaN/Al₂O₃衬底上ZnO薄膜的生长和特性研究
• 3.1 c面蓝宝石衬底上ZnO薄膜的生长
• 3.1.1 生长温度对蓝宝石衬底上的ZnO薄膜性质的影响
• 3.1.2 锌源流量对蓝宝石衬底上ZnO薄膜性质的影响
• 2O₃衬底上ZnO薄膜的生长'>3.2 GaN/Al₂O₃衬底上ZnO薄膜的生长
• 2O₃衬底上的ZnO薄膜性质的影响'>3.2.1 生长温度对GaN/Al₂O₃衬底上的ZnO薄膜性质的影响
• 2O₃衬底上ZnO薄膜性质的影响'>3.2.2 锌源流量对GaN/AL₂O₃衬底上ZnO薄膜性质的影响
• 3.3 本章小结
• 第4章 ZnO薄膜p型掺杂的研究
• 4.1 ZnO材料的p型掺杂简介
• 4.2 本论文中的两种掺杂方法简介
• 4.3 GaAs夹层掺杂制备p型ZnO薄膜
• 4.3.1 GaAs夹层的制备及性质
• 4.3.2 采用不同厚度的GaAs夹层生长的ZnO的性质
• 4.4 MOCVD法制备ZnO:P薄膜及其特性研究
• 4.4.1 ZnO:P薄膜的形貌研究
• 4.4.2 ZnO:P薄膜的电学特性研究
• 4.4.3 ZnO:P薄膜的发光特性研究
• 4.4.4 ZnO:P薄膜的结晶特性研究
• 4.4.5 低温PL谱研究
• 4.5 本章小结
• 第5章 ZnO基发光器件的制备与研究
• 5.1 ITO玻璃衬底上MIS结构发光器件的制备
• 5.1.1 器件的具体工艺流程
• 5.1.2 器件材料性质表征分析
• 5.1.3 器件电学性质的测试
• 5.2 ITO玻璃衬底上As掺杂ZnO基同质结发光器件的制备
• 5.2.1 器件的具体工艺流程
• 5.2.2 器件材料性质的表征分析
• 5.2.3 器件电学性质的测试
• 2O₃衬底上磷掺杂p-ZnO异质结发光器件的制备'>5.3 n-GaN/Al₂O₃衬底上磷掺杂p-ZnO异质结发光器件的制备
• 5.3.1 器件的具体工艺流程
• 5.3.2 器件材料性质的表征分析
• 5.3.3 器件电学性质的测试
• 5.4 本章小结
• 第6章 全MOCVD法制备ZnO基TFT器件的研究
• 6.1 TFT简介
• 6.1.1 液晶显示原理
• 6.1.2 TFT的四种结构及计算公式
• 6.2 TFT结构工艺选择及绝缘层的制备分析
• 6.2.1 加热丝温度对MgO性能的影响
• 6.2.2 辅助气体对MgO形貌的影响
• 6.2.3 氧气流量对MgO形貌的影响
• 6.2.4 光辅助对MgO表面形貌的影响
• 6.3 TFT器件的制备
• 6.3.1 器件结构及工艺流程
• 6.3.2 采用MOCVD法制备的TFT性能分析
• 6.4 本章小结
• 结论
• 本论文的创新点
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文
• 致谢
• 摘要
• Abstract