掺杂ZnO薄膜及ZnO基异质结发光器件研究

论文摘要

ZnO是具有高激子束缚能（～60 meV）的宽带隙（3.37 eV）半导体材料。它在紫外发光（激光）二极管、薄膜晶体管、紫外探测器、气体传感器、稀磁半导体等领域有广阔的应用前景。本论文针对目前ZnO研究中的热点问题，在ZnO:Mn稀磁半导体薄膜、ZnO:F透明导电薄膜以及ZnO／GaN异质结发光器件等方面，开展了一系列研究工作，取得如下主要结果： 一、采用磁控共溅射技术制备了Mn单掺杂及（Mn，N）共掺杂的ZnO薄膜。薄膜均具有单相、c轴取向的六角纤锌矿结构。Mn掺杂导致了ZnO晶格常数和光学带隙的增加，并且诱导了微结构的无序性。室温下，Mn单掺杂的ZnO薄膜仅表现出顺磁行为；而（Mn，N）共掺杂的ZnO薄膜则具有居里温度高于300K的铁磁性。并利用束缚磁极化子模型讨论了共掺杂薄膜中的铁磁耦合机制。 二、采用电子束蒸发ZnF2结合热氧化的方法制备了F掺杂的ZnO多晶薄膜。ZnO:F薄膜具有低于10-3Ωcm的电阻率和高于90％的可见光透过率。F的施主掺杂不仅提高了薄膜的电子浓度，而且钝化了ZnO纳米晶表面的缺陷态。F钝化效应体现在：（1）降低了界面势垒高度（仅为～5 meV），增加了载流子的迁移率；（2）淬灭了与缺陷相关的ZnO可见发射，提高了紫外发光效率。此外，对ZnO:F薄膜中电子输运机制的探求发现：低温下，离化杂质是主要的载流子散射中心；高温下，极化光学声子散射降低了载流子的迁移率。 三、设计并制各了p-GaN／n-ZnO和p-GaN／i-ZnO／n-ZnO异质结发光器件。两类器件均具有良好的二极管整流特性。在p-GaN／n-ZnO异质结电致发光谱中，我们只观察到了来自于p-GaN层的蓝色发射（3.08 eV）。与之相比，在p-GaN／i-ZnO／n-ZnO结构中，超薄半绝缘ZnO层的引入限制了部分载流子在i-ZnO层中辐射复合，从而激活了来自于i-ZnO层的蓝紫色电注入发射（3.21 eV）。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 1 引言
• 1.1 ZnO材料的基本特性
• 1.2 ZnO材料的研究进展
• 2 ZnO薄膜制备方法及表征手段
• 2.1 ZnO薄膜制备方法
• 2.2 ZnO薄膜表征手段
• 3 Mn掺杂ZnO稀磁半导体薄膜的制备与物性研究
• 3.1 Mn单掺杂ZnO薄膜的制备及物性研究
• 1-xMn_xO薄膜的制备'>3.1.1 Zn_1-xMn_xO薄膜的制备
• 1-xMn_xO薄膜的组分和结构'>3.1.2 Zn_1-xMn_xO薄膜的组分和结构
• 1-xMn_xO薄膜的光学特性'>3.1.3 Zn_1-xMn_xO薄膜的光学特性
• 1-xMn_xO薄膜的磁学特性'>3.1.4 Zn_1-xMn_xO薄膜的磁学特性
• 3.2 （Mn,N）共掺杂ZnO薄膜的制备及物性研究
• 3.2.1 ZnO∶（Mn,N）薄膜的制备
• 3.2.2 ZnO∶（Mn,N）薄膜组分和结构
• 3.2.3 ZnO∶（Mn,N）薄膜的电学性质
• 3.2.4 ZnO∶（Mn,N）薄膜的室温铁磁性及其铁磁耦合机制
• 3.3 小结
• 4 F掺杂ZnO透明导电薄膜的制备与物性研究
• 4.1 ZnO∶F薄膜的制备
• 4.2 ZnO∶F薄膜的结构和组分
• 4.3 ZnO∶F薄膜的电学性质及电子输运机制
• 4.4 ZnO∶F薄膜的光学性质及F钝化效应
• 4.5 小结
• 5 ZnO/GaN异质结发光器件研究
• 5.1 p-GaN/n-ZnO和p-GaN/i-ZnO/n-ZnO异质结器件的制备
• 5.2 p-GaN/n-ZnO异质结器件的电学及电致发光性质
• 5.3 p-GaN/n-ZnO异质结能带结构分析
• 5.4 p-GaN/i-ZnO/n-ZnO异质结器件的电学及电致发光性质
• 5.5 小结
• 6 结论
• 作者简介
• 攻读博士学位期间承担的主要工作及结果
• 致谢