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ZnO薄膜和MgZnO合金薄膜的生长及其特性研究

作　者: 张源涛
导　师: 杜国同
学　校: 吉林大学
专　业: 微电子学与固体电子学
关键词: 合金薄膜特性研究不同条件光电二极管束缚能国内首次激子异质结构等离子增强受激发射
分类号: TN304.055
类　型: 博士论文
年　份: 2005年
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内容摘要

ZnO 作为一种宽禁带半导体材料(3.3eV),其激子束缚能高达60meV,比室温热离化能26meV 大很多,是一种合适的用于室温或更高温度下的紫外光发光材料,具有大的束缚能的激子更容易在室温下实现高效率的受激发射。因此,对ZnO 的研究已成为继GaN 之后宽禁带半导体研究的又一热点。本论文的主要工作是利用等离子增强MOCVD法和射频溅射法在蓝宝石和Si 衬底上生长出了高质量的ZnO 薄膜,对不同条件下生长样品的结晶质量、光学、表面形貌和电学特性等进行了比较研究,首次使用光电子能谱结合氩离子束刻蚀对生长的ZnO/Si 异质结构进行了深度剖析。在国内首次利用MOCVD 技术在p-Si 衬底上生长的n-ZnO 薄膜成功地制作n-ZnO/p-Si 异质结光电二极管,并分析了其特性,n-ZnO/p-Si 异质结的正向电流随着正向偏压呈指数关系迅速增加,正向开启电压大约1.5V,不同条件下制备的n-ZnO/p-Si光电二极管都观察到光电效应。对p-ZnO 开展了初步的研究,使用两种掺N入ZnO 薄膜的方法制备了p-ZnO,其中在氮化处理的Si 表面上生长p-ZnO薄膜的方法是首次采用,其最大载流子浓度为1.12×1018cm-3。在国内首次利用MOCVD 法成功地制备了MgxZn1-xO 合金薄膜,当0≤x≤0.39 时,合金薄膜能够保持ZnO 的六角晶体结构,超过这个限制就会出现MgO 分相,在这一范围内合金薄膜的能带宽度在3.3eV 到3.95eV 之间变化。

全文目录

第一章前言  8-34
  1.1 ZnO 材料研究进展  8-17
  1.2 ZnO 材料的基本特性  17-20
  1.3 ZnO 薄膜的用途  20-23
  1.4 ZnO 薄膜的生长方法  23-26
  1.5 本论文的主要研究内容  26-28
  本章参考文献  28-34
第二章 ZNO 薄膜生长设备及样品的表征方法  34-51
  2.1 生长ZnO 薄膜的MOCVD 反应系统  34-39
    2.1.1 ZnO 薄膜MOCVD 生长用源材料  34-37
    2.1.2 用于ZnO 生长的等离子增强MOCVD 反应系统  37-39
  2.2 生长ZnO 薄膜的射频溅射反应系统  39-42
    2.2.1 溅射法简介  39-40
    2.2.2 用于ZnO 生长的射频溅射反应系统  40-42
  2.3 样品的表征方法  42-50
    2.3.1 X 射线衍射方法(XRD)  42-43
    2.3.2 扫描电子显微镜(SEM)  43-44
    2.3.3 原子力显微镜(AFM)  44-45
    2.3.4 X 射线光电子能谱(XPS)  45-46
    2.3.5 发光光谱  46-47
    2.3.6 电学特性测量方法  47-50
  本章参考文献  50-51
第三章蓝宝石衬底上ZNO 薄膜的生长和特性研究  51-83
  3.1 C-sapphire 衬底上ZnO 薄膜的生长  51-60
    3.1.1 样品的制备  51-52
    3.1.2 生长温度对薄膜质量的影响  52-60
      3.1.2.1 对结构特性的影响  53-54
      3.1.2.2 对表面形貌的影响  54-57
      3.1.2.3 对光学特性的影响  57-60
  3.2 缓冲层的生长对ZnO 薄膜质量的影响  60-71
    3.2.1 缓冲层的生长  60-61
    3.2.2 不同温度缓冲层的生长对薄膜质量的影响  61-64
    3.2.3 不同厚度缓冲层的生长对薄膜质量的影响  64-71
      3.2.3.1 对结构特性的影响  64-66
      3.2.3.2 对表面形貌的影响  66-70
      3.2.3.3 对光学特性的影响  70-71
  3.3 C -sapphire 和R-sapphire 衬底上生长ZnO 薄膜的特性比较  71-78
    3.3.1 结构特性的比较  72-74
    3.3.2 表面形貌的比较  74-76
    3.3.3 光学特性的比较  76-78
  3.4 本章小结  78-80
  本章参考文献  80-83
第四章 SI 衬底上ZNO 薄膜生长和特性研究  83-112
  4.1 (001)n-Si 衬底上ZnO 薄膜生长和特性分析  83-95
    4.1.1 样品的制备  83-84
    4.1.2 (001)n-Si 衬底上ZnO 薄膜特性研究  84-95
      4.1.2.1 结构特性  84-86
      4.1.2.2 溅射率  86-88
      4.1.2.3 表面形貌  88-89
      4.1.2.4 室温PL 谱  89-90
      4.1.2.5 光电子能谱分析  90-95
  4.2 (100)p-Si 衬底上ZnO 薄膜生长和特性分析  95-100
    4.2.1 样品的制备  95
    4.2.2 不同温度下生长的薄膜特性的分析  95-100
      4.2.2.1 结构特性  96-97
      4.2.2.2 表面形貌  97-98
      4.2.2.3 室温PL 谱  98-100
      4.2.2.4 光电子能谱分析  100
  4.3 N-ZnO/p-Si 光电二极管  100-108
    4.3.1 电极的制备  101-102
    4.3.2 N-ZnO/p-Si 异质结的I-V 特性  102-104
    4.3.3 光电特性  104-108
  4.4 本章小结  108-110
  本章参考文献  110-112
第五章 P-ZNO 的制备及MGZNO 合金薄膜的生长和特性研究  112-126
  5.1 P-ZnO 的制备  112-117
    5.1.1 ZnO 薄膜中的本征点缺陷  112-113
    5.1.2 当前制备p-ZnO 薄膜的几种主要方法  113-114
    5.1.3 p-ZnO 薄膜的制备  114-117
  5.2 蓝宝石衬底上MgZnO 合金薄膜的生长和特性研究  117-123
    5.2.1 样品的制备  118-119
    5.2.2 MgZnO 合金薄膜结构特性  119-120
    5.2.3 MgZnO 合金薄膜光学特性  120-121
    5.2.4 MgZnO 合金薄膜的能带宽度  121-123
  5.3 本章小结  123-124
  本章参考文献  124-126
结论  126-129
致谢  129-131
博士学位期间发表的论文  131-138
博士学位期间获奖情况  138-140
摘要  140-144
ABSTRACT  144-148

ZnO薄膜和MgZnO合金薄膜的生长及其特性研究

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