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氧化锌p型掺杂的相关问题研究

作　者: 李林
导　师: 吕有明；单崇新
学　校: 中国科学院研究生院（长春光学精密机械与物理研究所）
专　业: 凝聚态物理
关键词: 分子束外延技术退变层 N掺杂 p型ZnO 补偿
分类号: TN304
类　型: 博士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

ZnO作为一种直接带隙的宽禁带半导体材料,激子束缚能高达60 meV,更容易实现高效率的激子型光发射和低阈值的受激发射,因而受到了广泛的关注。然而,可靠稳定的低阻p型ZnO薄膜的获得成为制约ZnO基光电器件发展的主要瓶颈之一。其中制约可靠的p型ZnO薄膜获得的两个主要因素是未掺杂ZnO中存在着很高的背景电子浓度和p型ZnO中存在着大量的施主缺陷补偿,因此,以上两个问题的解决是ZnO基光电器件发展的基础。本论文针对目前这些制约p型ZnO发展的难点和热点问题展开,取得的主要结果如下:1.通过变温Hall实验对未掺杂ZnO中高的背景电子浓度的来源进行了详细地分析,发现在ZnO薄膜和蓝宝石衬底的界面处存在着一层高度简并的退变层,这层退变层对ZnO薄膜的电学性质有巨大的影响,它是未掺杂ZnO薄膜中高背景电子浓度的主要来源之一。实验证明:可以通过提高外延层的厚度来降低退变层对ZnO薄膜电学特性的影响。这为制备高质量的未掺杂ZnO和下一步制备可靠的p-ZnO打下了基础。最近日本东京工业大学的Hideo Hosono教授等人[110]证实了我们的观点:即在大失配的蓝宝石衬底上生长的ZnO薄膜的界面处存在着一层高度简并的退变层,并且它极大地影响着ZnO的电学特性,使得在蓝宝石上生长的ZnO薄膜具有高的电子浓度和低的迁移率。2.利用NO成功地制备了N掺杂的p型ZnO薄膜,然而这种生长方式制备的p型ZnO薄膜的电学特性较差。通过探索,我们提出了一种相对简单的生长方式,即在生长N掺杂ZnO薄膜的过程中,周期性地让N等离子体照射N掺杂ZnO薄膜。通过这种生长方式,增加了ZnO薄膜中N的有效掺杂浓度,并得到了具有较好电学特性的N掺杂p型ZnO薄膜。这为今后制备具有优良电学特性的N掺杂p-ZnO薄膜提供了一种简单易行的方法。3.设计实验分析了我们制备的N掺杂ZnO中主要的施主补偿源,通过对实验结果的分析,发现掺杂引入的(N2)O施主是我们制备的N掺杂ZnO中最主要的施主补偿源之一,通过后期退火可以降低(N2)O施主缺陷的浓度。这为以后抑制施主,降低施主补偿效应,从而提高N掺杂p-ZnO的重复性提供了一定的基础。随后法国凡尔赛大学的Sallet教授等人[133,134]通过实验分析也证明了我们的结论:(N2)O是N掺杂ZnO薄膜呈现n型电导的主要原因,通过在氧气气氛中退火可以大量地降低(N2)O施主缺陷浓度。美国华盛顿州立大学的M. D. McCluskey教授在综述性文章中引用我们的观点,即氮在氮掺杂ZnO中存在NO和(N2)O两种形态,并且热退火可以大幅度地降低(N2)O施主缺陷浓度。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-12
第一章引言  12-34
  1.1 ZnO 材料的基本性质  14-17
  1.2 ZnO 材料和器件的研究进展  17-32
    1.2.1 高质量ZnO 薄膜的研究进展  17-18
    1.2.2 p 型ZnO 的研究进展  18-25
    1.2.3 ZnO 发光和激光器件的研究进展  25-32
  1.3 ZnO 薄膜研究中存在的问题和发展趋势  32-33
  1.4 论文的选题依据和研究内容  33-34
第二章等离子体辅助分子束外延及常用的样品表征手段  34-54
  2.1 ZnO 薄膜制备设备  34-42
    2.1.1 分子束外延（MBE）  34
    2.1.2 分子束外延的原理  34-37
    2.1.3 等离子体辅助的分子束外延（P-MBE）  37-38
    2.1.4 等离子体辅助分子束外延设备的总体结构  38-40
    2.1.5 MBE 的发展史  40-41
    2.1.6 MBE 的应用  41-42
  2.2 样品的分析和表征手段  42-52
    2.2.1 结构特性的表征：X 射线衍射谱(XRD)  42-43
    2.2.2 光致发光谱（PL）  43-45
    2.2.3 X 射线光电子能谱(XPS)  45-47
    2.2.4 二次离子质谱（SIMS）  47-48
    2.2.5 吸收和透射光谱  48-49
    2.2.6 霍耳效应(Hall Effect)  49-52
  2.3 本章小结  52-54
第三章未掺杂 ZnO 薄膜的电学特性研究  54-70
  3.1 半导体中基本的电学理论  54-58
    3.1.1 半导体中载流子的统计平衡分布  54-58
  3.2 未掺杂ZnO 中高背景电子浓度来源的分析  58-68
    3.2.1 未掺杂ZnO 的电学特性随膜厚变化的分析  58-61
    3.2.2 未掺杂ZnO 的双层导电模型理论  61-62
    3.2.3 拟合的结果与讨论  62-68
  3.3 本章小结  68-70
第四章 N 掺杂 P 型 ZnO 薄膜的制备及光电特性研究  70-82
  4.1 N 掺杂p 型ZnO 薄膜的制备工艺  71-72
  4.2 利用NO 气体制备p 型ZnO  72-76
    4.2.1 不同NO 流量下制备的N 掺杂ZnO 的表征及分析  72-74
    4.2.2 改变Zn 源温度制备p 型ZnO  74-76
  4.3 改进生长方式制备电学特性优良的N 掺杂的p 型ZnO  76-81
    4.3.1 探索提高N 掺杂p 型ZnO 电学特性的生长方式  77-81
  4.4 本章小结  81-82
第五章 N 掺杂 ZnO 中施主补偿机制的研究  82-90
  5.1 N 掺杂ZnO 中施主补偿源的分析  82-88
    5.1.1 原生N 掺杂ZnO 薄膜的结构表征  83
    5.1.2 样品的电学特性表征和分析  83-85
    5.1.3 样品掺杂的化学成分表征与分析  85-86
    5.1.4 样品光学特性的表征与分析  86-88
  5.2 本章小结  88-90
第六章结论与展望  90-92
  6.1 全文结论  90-91
  6.2 研究展望  91-92
参考文献  92-102
在学期间学术成果情况  102-103
指导教师及作者简介  103-105
致谢  105-106

氧化锌p型掺杂的相关问题研究

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