宽带隙半导体（ZnO，SiC）材料的制备及其光电性能研究

论文摘要

在半导体材料的发展中,一般将Si,Ge称为第一代电子材料,GaAs,InP,GaP,InAs,AlAs等称为第二代电子材料,而将宽带隙高温半导体ZnO,SiC,GaN,AlN,金刚石等称为第三代半导体材料。随着科学技术的发展,对能在极端条件（如高温、高频、大功率、强辐射）下工作的电子器件的需求越来越迫切。常规半导体如Si,GaAs等已面临严峻挑战,故发展宽带隙半导体（Eg＞2.3 eV）材料已成为当务之急。在本论文中,我们主要讨论了宽带隙半导体材料ZnO、SiC的制备及其光电性能的研究。对于ZnO纳米材料,我们采用热蒸发法制备。我们发展了制备ZnO纳米柱阵列的热蒸发法。实验不需要引入催化剂,也不需要预先沉积ZnO层,用廉价的硅衬底代替昂贵的蓝宝石衬底,在常压下得到了结晶质量好的样品。我们在较低生长温度（550℃）下,获得了结晶质量好的,高度定向的ZnO纳米柱阵列,而且,我们研究了物性和讨论了生长机制。分别在550℃,600℃和650℃下。采用热蒸发法,合成了ZnO:Li纳米线,发现在600℃下合成的样品的紫外发光峰是550℃下合成的样品的十几倍,我们把这种现象归结于Li的掺杂引入了受主,受主浓度的增大让激子浓度变大。最后作出它的气敏器件。在680℃时,采用不同源不同温度的方法,合成了ZnO:Al纳米线。发现它的紫外发光峰有蓝移现象,我们把这种现象归结于著名的B-M（Burstain-Moss）效应。对于ZnO薄膜材料,我们采用了PLD（脉冲激光沉积）法制备。采用Si衬底上制备ZnO薄膜的过程中,克服Si衬底与ZnO薄膜之间高达40%的晶格失配,减少由此产生的缺陷,在400℃下沉积得到较高质量的ZnO薄膜,在此基础上,研究ZnO/p-Si薄膜光电性能。我们采用SiC做衬底,外延生长高质量的ZnO薄膜。在400℃下沉积得到较高质量的ZnO:Ag薄膜,得到较稳定的p型特性。Ag掺入ZnO时,Ag占据Zn态,形成AgZn受主。并讨论了Ag在ZnO中的存在的形态。对于SiC薄膜材料,我们采用了PLD（脉冲激光沉积）法制备。在C气氛下,于800-1200℃退火处理2小时。通过XRD,红外和XPS等一系列的测试手段表明,在1200℃退火,能很好抑制SiC的氧化和C的逃逸。得到很好结晶质量的SiC和较好的化学剂量比的。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 引言
• 第1章 宽带隙ZnO材料综述
• 1.1 ZnO的晶体结构
• 1.2 ZnO的物理特性
• 1.3 ZnO薄膜的制备方法
• 1.3.1 化学气相淀积技术
• 1.3.2 分子束外延（MBE）
• 1.3.3 溅射（Sputtering）
• 1.3.4 脉冲激光沉积（PLD）
• 1.3.5 喷射热分解技术（Spray Pyrolysis）
• 1.3.6 溶胶-凝胶法（Sol-gel）
• 1.4 纳米材料和技术的概况
• 1.4.1 纳米材料的概念
• 1.4.2 纳米材料的基本物理效应
• 1.5 ZnO纳米材料的制备
• 1.6 ZnO的器件应用
• 1.7 近来的ZnO的研究热点
• 1.7.1 p型ZnO薄膜的研究
• 1.7.2 ZnO纳米的研究
• 参考文献
• 第2章 热蒸发法生长ZnO、Li:ZnO和Al:ZnO纳米棒
• 2.1 ZnO纳米线制备
• 2.1.1 实验仪器
• 2.1.2 衬底准备
• 2.1.3 具体实验步骤
• 2.1.4 ZnO纳米棒样品的表征
• 2.1.5 结果和讨论
• 2.2 ZnO∶Li纳米线
• 2.2.1 实验仪器
• 2.2.2 衬底准备
• 2.2.3 具体实验步骤
• 2.2.4 结果和讨论
• 2.3 ZnO∶Al纳米线
• 2.3.1 实验仪器
• 2.3.2 衬底准备
• 2.3.3 具体实验步骤
• 2.3.4 结果分析
• 2.4 本章小结
• 参考文献
• 第3章 PLD生长ZnO和ZnO∶Ag薄膜
• 3.1 ZnO/p-Si薄膜
• 3.1.1 ZnO/p-Si薄膜生长条件的优化
• 3.1.2 ZnO/p-Si的异质结的研究
• 3.2 ZnO/SiC薄膜
• 3.2.1 常规XRD结果
• 3.2.2 同步辐射掠入射X射线衍射和反射研究
• 3.3 ZnO∶Ag/n-Si（111）薄膜
• 3.4 讨论
• 3.5 本章小结
• 参考文献
• 第4章 宽带隙SiC半导体材料综述
• 4.1 SiC的结构和多型性
• 4.2 SiC材料的制备
• 4.2.1 薄膜生长
• 4.2.2 晶体生长
• 4.3 SiC器件研究
• 参考文献
• 第5章 脉冲激光淀积（PLD）制备SiC薄膜
• 5.1 薄膜制备的工艺流程
• 5.2 薄膜制备的表征与分析
• 5.3 本章小结
• 参考文献
• 致谢
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