ZnO基光电薄膜的物性研究及光电器件的设计与制备

论文摘要

ZnO宽禁带半导体,由于在短波长光电子器件潜在的应用前景,近十余年,一直是国际光电子领域的前沿课题和研究热点之一。虽然在ZnO薄膜材料制备和器件方面取得了很大的进展,但p型掺杂问题仍然没有解决,成为制约ZnO研究发展和应用的瓶颈。造成p型掺杂困难的原因主要有：一是掺杂的单极性和自补偿效应,大量本征缺陷所产生的高浓度的电子严重补偿了掺入的受主杂质；二是受主离化能高,离化率低；三是受主热力学形成能高,固溶度较低。因此,要实现高效p型掺杂,必须从两方面考虑：一、尽量提高ZnO薄膜的晶体质量、降低背底电子浓度,如采用合适衬底,生长非极性ZnO薄膜（避免极性ZnO薄膜中存在的30度的晶轴）；二、选择合适的受主杂质,使其在ZnO中有较低的离化能和较高的固溶度。本论文主要针对当前ZnO在p型掺杂及其应用研究中所面临的问题,开展了极性面和非极性面ZnO薄膜的晶体结构、电学及光学性质；以IB族元素Ag作为受主杂质的p型掺杂；ZnO/NiO基异质结紫外探测器设计与制备等研究工作。取得的主要结果如下：（1）利用P-MBE技术,在c-Al2O3,石英,MgO（111）和MgO（100）衬底上生长ZnO薄膜。发现衬底材料及取向影响ZnO薄膜的择优取向和晶体质量。在c-Al2O3,石英和MgO（111）衬底生长的均是沿[0001]择优取向的极性面ZnO薄膜（c-ZnO）,而在MgO（100）衬底生长的是沿[1010]择优取向的非极性面ZnO薄膜（m-ZnO）。研究发现异质外延生长在石英衬底的c-ZnO上具有高电阻、低电子浓度。这是与衬底和薄膜之间热失配导致的晶体质量变差相关。非极性面m-ZnO则表现出低的生长速度,且表面光滑；但电子迁移率低,这是由于面内电子迁移率各向异性和缺陷的散射造成的。（2）利用磁控溅射技术制备出一系列Ag掺杂的ZnO薄膜；研究了不同O2/（Ar+O2）流量比对Ag掺杂ZnO的晶体结构、光电性能影响的规律和机制。实验发现,当流量比在0-0.75之间时,ZnO:Ag薄膜呈n型导电性,而在大于0.75后呈现p型导电性。随着氧流量的增加,n型薄膜的电阻率从0.95增加到36.3Qcm,并且电子浓度从3.6x1018降至3.1×1017 cm-3,这是由于本征施主缺陷得到抑制,同时形成了Agzn受主的结果,随着受主浓度的进一步增加,出现了导电类型的转变。在获得p型ZnO薄膜的基础上,制备了n-ZnO/p-ZnO:Ag同质结,并观察到微弱的整流特性。（3）利用磁控溅射和P-MBE技术制备了n-ZnO/p-NiO异质结,并研究了n-ZnO/p-NiO异质结界面处的两种半导体材料的导带偏移（△Ec）和价带偏移量（△Ev）。通过XPS测试发现n-ZnO/p-NiO异质结为Ⅱ型异质结,并且价带偏移△Ev=2.60±0.20 eV和导带偏移△Ec=2.93±0.20 eV,在此基础上,设计和制备了n-ZnO/p-NiO异质结光电探测器。对其性能进行研究时发现,通过施加正负电压,可明显调控器件的响应范围。当施加反向偏压时,可得到探测器两个紫外波段的响应电流比为S1=1.8 （1ph at 380 nm/1ph at 350 nm）;而施加正向偏压时,两个紫外波段的响应电流比S2=0.6 （1ph at 380 nm/1ph at 314 nm）. n-ZnO/p-NiO异质结紫外探测器的实现简化了器件结构,降低了成本,为实现ZnO基紫外光探测提供了一条新途径。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 ZnO的基本性质
• 1.2 ZnO材料的研究进展和现存科学问题
• 1.2.1 ZnO中的极性面与非极性面研究
• 1.2.2 ZnO材料中的本征缺陷
• 1.2.3 ZnO材料的p型掺杂
• 1.2.4 ZnMO（M=Mg,Cd）能带工程
• 1.2.5 ZnO基光电子器件的研究进展
• 1.2.6 ZnO基光电器件研究存在的问题
• 1.3 本论文的选题依据和主要内容
• 参考文献
• 第2章 薄膜的制备技术及其表征手段
• 2.1 分子束外延（MBE）
• 2.2 磁控溅射技术
• 2.3 退火设备
• 2.4 薄膜的表征手段
• 2.4.1 X-身寸线衍射
• 2.4.2 扫描电子显微镜和X射线能量谱仪（EDS）
• 2.4.3 原子力显微镜
• 2.4.5 透射-吸收光谱
• 2.4.6 霍尔效应
• 2.4.7 X射线光电子能谱
• 2.4.8 光致发光光谱
• 参考文献
• 第3章 极性与非极性面ZnO薄膜的制备与性质研究
• 3.1 样品制备
• 3.2 衬底对ZnO薄膜晶体结构的影响
• 3.3 极性面与非极性面ZnO薄膜的形貌比较
• 3.4 极性面与非极性面ZnO薄膜的电学特性对比
• 3.5 极性面与非极性面ZnO薄膜的光学特性对比
• 3.6 小结
• 参考文献
• 第4章 Ag掺杂ZnO薄膜的制备及其性质研究
• 4.1 样品的制备
• 2/（Ar+O₂）流量比对ZnO:Ag薄膜晶体结构的影响'>4.2 O₂/（Ar+O₂）流量比对ZnO:Ag薄膜晶体结构的影响
• 2/（Ar+O₂）流量比对ZnO:Ag薄膜导电类型的影响'>4.3 O₂/（Ar+O₂）流量比对ZnO:Ag薄膜导电类型的影响
• 2/（Ar+O₂）流量比对ZnO:Ag光致发光谱的影响'>4.4 O₂/（Ar+O₂）流量比对ZnO:Ag光致发光谱的影响
• 4.5 n-ZnO/p-ZnO:Ag同质结的Ⅳ特性
• 4.6 小结
• 参考文献
• 第5章 n-ZnO/p-NiO异质结光电器件的研究
• 5.1 n-ZnO/p-NiO异质结的能带偏移
• 5.1.1 样品的制备
• 5.1.2 n-ZnO/p-NiO异质结价带带阶的测定方法和计算
• 5.2 n-ZnO/p-NiO异质结探测器
• 5.2.1 异质结探测器工作原理
• 5.2.2 n-ZnO/p-NiO异质结制备
• 5.2.3 n-ZnO/p-NiO异质结形貌、晶体结构和Ⅳ特性
• 5.2.4 n-ZnO/p-NiO异质结光学性质
• 5.2.5 n-ZnO/p-NiO异质结光探测性质研究
• 5.2.6 小结
• 参考文献
• 第6章 结论
• 攻读博士期间发表的论文
• 致谢
• 作者简历