脉冲激光沉积法生长ZnMgO合金薄膜和Li-N共掺p型ZnO薄膜及紫外探测器的研制

论文摘要

ZnO是一种直接带隙宽禁带Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体材料,其晶体结构、晶格常数和禁带宽度都与GaN非常接近。ZnO最大的优势在于它的激子束缚能很大,约为60meV,是GaN激子束缚能的两倍多,可以在室温或更高温度下实现激子受激发光。因此,ZnO在短波长光电器件领域有着巨大的应用潜力。 本文利用自行设计建立的脉冲激光沉积（PLD）系统,进行了Zn1-xMgxO合金薄膜和ZnO/Zn1-xMgxO多层异质结构的生长、p型Zn1-xMgxO薄膜的初步探索以及p型ZnO薄膜的掺杂研究,并研制了一个硅基ZnO光电导型紫外探测器。研究硅基ZnO/Zn1-xMgxO多层异质结构和量子阱结构的结晶质量和发光特性,为ZnO光电器件的研发奠定基础。而Zn1-xMgxO薄膜p型转变的成功能为ZnO异质p-n结器件做好材料准备。本文采用一种新的共掺技术——Li-N双受主共掺,成功制备了低电阻率的p-ZnO薄膜。 1.硅基Zn1-xMgxO合金薄膜及ZnO/Zn1-xMgxO异质结和量子阱结构 利用自制PLD系统在p-Si（100）上生长Zn1-xMgxO合金薄膜。从生长参数对薄膜的结构、形貌和光学性能的对比研究中,找到可适用于硅基ZnO/Zn1-xMgxO异质结构生长的合金薄膜的优化工艺参数。优化条件下制得的薄膜晶体质量良好,均具有高度c轴择优取向性,其晶体结构与ZnO的一致,表面粗糙度约为1nm,与ZnO的晶格失配度仅为-0.35%。 首次采用PLD技术在Si（100）和ZnO/Si（100）上生长Zn1-xMgxO/ZnO/Zn1-xMgxO双异质结,得到了具有完全c轴择优取向的晶粒致密的多层异质结构。其室温PL谱中均可以观察到异质结中ZnO层位于～3.3eV的近带边发光,无明显的深能级缺陷发光,表明多层异质结构的结晶质量较高。在ZnO/Si（100）上还尝试生长了ZnO/Zn1-xMgxO多量子阱结构,所得的是多层纳米结构。 首次以Li为受主掺杂元素,实现了Zn1-xMgxO薄膜的p型转变,电阻率为10.1Ωcm,载流子浓度为2.45x1018cm-3,迁移率为0.251cm2/Vs。这项工作还在继续系统研究中。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 前言
• 第二章 文献综述
• 2.1 ZnO材料的基本性质
• 1-xMg_xO三元合金'>2.2 Zn_1-xMg_xO三元合金
• 1-xMg_xO三元合金的晶体结构'>2.2.1 Zn_1-xMg_xO三元合金的晶体结构
• 1-xMg_xO异质结、超晶格与多量子阱'>2.2.2 ZnO／Zn_1-xMg_xO异质结、超晶格与多量子阱
• 1-xMg_xO合金薄膜的p型掺杂研究'>2.2.3 Zn_1-xMg_xO合金薄膜的p型掺杂研究
• 1-xMg_xO相关器件的研究'>2.2.4 Zn_1-xMg_xO相关器件的研究
• 2.3 ZnO的p型掺杂研究
• 2.3.1 Ⅰ族Li元素
• 2.3.2 Ⅴ族N元素
• 2.2.3 其它Ⅴ族元素掺杂
• 2.4 ZnO光电器件的研究
• 2.5 本文的研究内容
• 第三章 实验原理、系统建立与实验过程
• 3.1 脉冲激光沉积原理
• 3.1.1 脉冲激光沉积概述
• 3.1.2 PLD的基本原理
• 3.2 PLD实验系统的建立
• 3.3 薄膜制备的工艺
• 3.3.1 靶材烧结
• 3.3.2 衬底清洗
• 3.3.3 薄膜的制备过程
• 3.4 薄膜性能的表征
• 1-xMg_xO合金薄膜的制备'>第四章 Zn_1-xMg_xO合金薄膜的制备
• 4.1 引言
• 1-xMg_xO薄膜性能的影响'>4.2 生长参数对Si（100）上Zn_1-xMg_xO薄膜性能的影响
• 4.2.1 衬底温度对薄膜性能的影响
• 4.2.2 氧压对薄膜性能的影响
• 4.2.3 靶材中Mg含量对薄膜性能的影响
• 1-xMg_xO多层结构的制备及其性能'>4.3 Si（100）上ZnO／Zn_1-xMg_xO多层结构的制备及其性能
• 1-xMg_xO／ZnO／Zn_1-xMg_xO双异质结的生长'>4.3.1 Zn_1-xMg_xO／ZnO／Zn_1-xMg_xO双异质结的生长
• 1-xMg_xO／ZnO／Zn_1-xMg_xO异质结的生长'>4.3.2 ZnO缓冲层上Zn_1-xMg_xO／ZnO／Zn_1-xMg_xO异质结的生长
• 1-xMg_xO多量子阱结构的生长'>4.3.3 ZnO缓冲层上ZnO／Zn_1-xMg_xO多量子阱结构的生长
• 1-xMg_xO薄膜的初步研究'>4.4 Li掺杂p型Zn_1-xMg_xO薄膜的初步研究
• 4.5 本章小结
• 第五章 Li-N共掺杂p-ZnO薄膜的制备
• 5.1 引言
• 5.2 Li-N双受主共掺杂p-ZnO薄膜的生长
• 5.2.1 衬底温度对p-ZnO：（Li，N）薄膜性能的影响
• 5.2.2 脉冲激光能量对p-ZnO：（Li，N）薄膜性能的影响
• 2O气压对p-ZnO：（Li，N）薄膜性能的影响'>5.2.3 N₂O气压对p-ZnO：（Li，N）薄膜性能的影响
• 5.2.4 靶材中Li含量对p-ZnO：（Li，N）薄膜性能的影响
• 5.2.5 衬底类型对p-ZnO：（Li，N）薄膜性能的影响
• 5.3 Li-N共掺p型ZnO薄膜电学性能的稳定性
• 5.4 ZnO同质p-n结的制备
• 5.5 Li-N共掺物理机制的初步探讨
• 5.6 本章小结
• 第六章 ZnO光电导型紫外探测器的研究
• 6.1 引言
• 6.2 实验过程
• 6.3 光电导型探测器的原理
• 6.4 结果分析与讨论
• 6.5 本章小结
• 第七章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 附录：在读期间论文和专利列表