Al-N共掺杂实现p型ZnO的机理及其相关器件基础研究

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近年来,宽禁带半导体材料ZnO的研究已经引起人们广泛的关注。ZnO是一种Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体材料,具有直接宽带隙（室温下3.37eV）,属于六方纤锌矿结构。由于ZnO具有较高的激子结合能（室温下为60meV）,远大于室温热能（26meV）,因而理论上会在室温下获得高效的紫外激子发光和激光。此外ZnO具有高熔点（1975℃）,高热稳定性及化学稳定性;ZnO单晶薄膜可以在低于500℃的生长温度下获得,比GaN等其他宽禁带半导体材料的制备温度低很多,因此可以大大减少高温制备所产生的缺陷。另外,ZnO原材料资源丰富、价格低廉,对环境无毒无害,制备工艺简单,具有潜在的巨大商用价值。作为短波长发光器件、低阈值紫外激光器的一种全新的候选材料,ZnO已经成为当今半导体发光材料与器件研究中新的热点。为了实现ZnO在发光器件领域的实际应用,必须外延生长晶体质量良好的p型以及n型薄膜,在此基础上,制备ZnO的同质pn结,进而通过掺入Cd、Mg调节ZnO禁带宽度,最终实现ZnO的量子阱和超晶格结构。ZnO中本征施主缺陷（Zni和Vo）的形成能很低,因此在实现ZnO的p型转变过程中,存在本征缺陷的严重补偿现象,同时,VA族和IA族元素尽管在理论上可以在ZnO中形成浅的受主能级,但是VA族元素中的N元素在ZnO中的固溶度低,其他的P、As、Sb原子半径大,引起大的晶格畸变和内应力;而IA族元素则很容易形成间隙态起施主作用。施主（Al）-受主（N）共掺杂方法实现ZnO良好的p型特性是近年来由我们浙江大学硅材料国家重点实验室叶志镇教授领导的课题组首先尝试并实现的。共掺杂方法可以一定的条件下提高受主杂质的浓度,从而有利于得到高空穴浓度的p型ZnO薄膜。本文以利用Al-N共掺杂方法实现良好的p-ZnO薄膜作为研究的基础,以ZnO的p型掺杂机理为主要研究内容。深入分析了择优取向的ZnO多晶薄膜的生长机理,比较了多种常用的受主杂质在实现p型ZnO方面掺杂机理的异同,并对影响ZnO的p型特性的几个关键因素的作用机理作了深入研究。在实现ZnO的p型转变并深入分析其掺杂机理基础上,我们制备并研究了ZnO与Si的异质结及其接触特性,制备了ZnO的同质结、ZnO/ZnCdO异质结以及ZnO/Au的肖特基二极管的原型器件,并对其性能作了基础性研究。 C轴择优取向的ZnO薄膜的生长是一种自组装生长过程,在多种衬底上均

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第一章文献综述

1.1 ZnO的结构和性能

1.1.1 ZnO的基本性质

1.1.2 ZnO的光电性质

1.1.3 ZnO的其他性质

1.2 ZnO掺杂的研究进展

1.2.1 ZnO的n型掺杂

1.2.2 ZnO的p型掺杂

1.3 ZnO的缺陷

1.3.1 ZnO中的点缺陷

1.3.2 ZnO中的线缺陷和堆垛层错

1.4 ZnO的应用

1.4.1 光电器件领域应用

1.4.2 电子器件领域应用

1.5 本文立题依据及研究思路

1.5.1 立题依据

1.5.2 研究思路

第二章实验原理、过程及性能评价手段

2.1 直流反应磁控溅射技术原理

2.2 实验过程

2.3 性能评价

第三章 C轴取向ZnO多晶薄膜生长机理

3.1 不同衬底生长择优取向的ZnO薄膜

3.2 择优取向的生长机理分析

3.3 本章小结

第四章 Al-N共掺实现p-ZnO机理：杂质的选择

4.1 共掺杂原理及第一原理计算

4.2 影响共掺杂p-ZnO薄膜掺杂机理的几个因素

4.3 施主杂质Al对共掺杂ZnO薄膜性能的影响

4.3.1 施主杂质Al对薄膜结构、光学性能的影响

4.3.2 施主杂质Al对薄膜电学性能的影响

4.4 施主Al含量为O的情形（单一N元素掺杂）

4.5 单元素掺杂的不足之处

4.6 Al-N共掺杂方法的特色

4.6.1 从形成能角度分析

4.6.2 从电负性角度分析

4.6.3 从系统Madelung能量角度分析

4.6.4 从N受主能级的态密度角度分析

4.7 施主和受主的原子个数比例对于共掺杂p型的作用

4.8 本章小结

第五章 Al-N共掺实现p-ZnO机理：生长温度的作用

s对p-ZnO薄膜结晶质量的影响'>5.1 T_s对p-ZnO薄膜结晶质量的影响

s对p-ZnO电学性能的影响'>5.2 T_s对p-ZnO电学性能的影响

s对p-ZnO光学性能的影响'>5.3 T_s对p-ZnO光学性能的影响

s对ZnO：（Al，N，H）薄膜导电类型的作用机理'>5.4 T_s对ZnO：（Al，N，H）薄膜导电类型的作用机理

s对ZnO：（Al，N，H）中施主-受主分步的影响'>5.5 T_s对ZnO：（Al，N，H）中施主-受主分步的影响

s对ZnO：（Al，N，H）中各元素化学键态的作用'>5.6 T_s对ZnO：（Al，N，H）中各元素化学键态的作用

5.7 本章小结

第六章 Al-N共掺实现p-ZnO机理：生长气氛及其他因素的影响

6.1 氧气分压对薄膜晶体质量、光学性能的影响

6.2 电学性能随氧分压的变化机理

6.3 N受主气体源的选择

3'>6.3.1 NH₃

6.3.2 N的氧化物

6.4 p-ZnO薄膜性能的改善：生长高温缓冲层

6.5 p-ZnO薄膜性能的改善：退火处理

6.6 p-ZnO薄膜导电类型的稳定性

6.7 本章小结

第七章 ZnO基器件制备及其性能

7.1 ZnO基光电器件

7.1.1 ZnO／Si异质结及ZnO同质pn结

7.1.2 p-ZnO／n-ZnCdO／n-ZnO异质结的设计思路及制备

7.1.3 p-ZnO／n-ZnCdO／n-ZnO异质结的性能

7.2 ZnO基电子器件

7.2.1 设计思路

7.2.2 Al／Si衬底生长的ZnO薄膜的性能

7.2.3 光刻版的制备

7.2.4 n-ZnO／Au肖特基二极管的制备

7.2.5 n-ZnO／Au肖特基二极管的性能测试及分析

7.2.6 ISBD相关参数计算

7.3 本章小结

第八章总结

参考文献

致谢

作者博士期间发表和撰写的论文及专利

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