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ZnO薄膜和异质结构的光电性能研究

作　者: 陈慧
导　师: 顾书林
学　校: 南京大学
专　业: 微电子与固体电子学
关键词: ZnO 异质结构光电性能光致发光谱薄膜半导体 MOCVD 施主导电类型带边二维电子气半导体材料中电子衬底载流子浓度高温退火器件研究界面极化效应体单晶声子数束缚激子
分类号: O472
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

氧化锌(ZnO)是一种直接宽带隙半导体材料,具有很高的激子束缚能(60meV)。ZnO具有优越的光电特性,在蓝紫光发光器件、紫外探测器件和短波长激子型激光器等方面具有广阔的应用前景。目前,ZnO基材料与器件的研究已取得了较大的进展,发展ZnO基材料与器件已成为当前半导体科学技术研发的热点。本论文针对目前ZnO材料研究所面临的基础与前沿问题,积极开展了N掺杂ZnO薄膜、ZnMgO合金以及ZnMgO/ZnO异质结构的生长与光电性质的研究,揭示了异质结界面极化效应导致的二维电子气的输运特性和光荧光性质。主要取得了以下成果：1、研究了退火温度对氮掺杂ZnO光电性能的影响,霍尔(Hall)效应测量结果表明合适的高温退火可以导致N掺杂ZnO薄膜导电类型的转变,有利于实现N掺杂p型ZnO薄膜。研究发现MOCVD生长中非故意掺杂的碳原子在N掺杂ZnO薄膜中存在多种形态,高温退火将导致杂质碳团簇的聚集和碳团簇尺寸的显著增大,并将显著改善ZnO薄膜的表面形貌和晶体结构,有利于ZnO薄膜质量的改善和提高。2、开展了N掺杂ZnO薄膜的光学性质的研究,首次在N掺杂ZnO薄膜中观察到具有精细结构的由多声子峰组成的绿带发光峰,由变温光致发光谱的变化规律揭示出该绿带与近带边的施主束缚激子(D0X)及其双电子伴线(TES)之间变化规律的内在关联,进一步指认该绿带发光来自于施主基态和激发态到深受主VZn之间的跃迁,并从该施主-受主复合体和晶格之间较强的电声子耦合分析解释了绿带多级声子峰的形成机理。3、研究了ZnMgO合金的生长与性质对MOCVD生长工艺参数的依赖关系,研究表明采用ZnO衬底、高的Mg/Zn气相比、较大生长压力有助于提高Mg原子的结合效率。研究发现高Mg组分生长或较高温度生长的ZnMgO合金的结构从单一六方相向混合相甚至单一立方相转变,但进一步的高温退火技术却可以导致立方相结构向六方相为主的混合相的转变,为探索高质量ZnMgO合金的MOCVD的生长提供了一条思路。4、研究了ZnMgO合金层的结构参数对ZnMgO/ZnO异质结的光电性质的影响,揭示了ZnMgO/ZnO异质结界面极化效应形成的二维电子气(2DEG)的输运性质对ZnMgO合金层厚度的依赖关系。研究发现ZnMgO合金层的厚度和组分分布对异质结的光致发光谱具有显著的影响,并根据激光在薄膜中的穿透深度对光致发光谱的变化给予了成功的分析和解释。首次观测到了ZnMgO/ZnO低温光致发光谱中与2DEG复合发光相关且具有较小激活能的三个发光峰,并分别指认为2DEG中电子与ZnMgO/ZnO异质界面附近不同空间位置的空穴之间的复合跃迁。

全文目录

摘要  3-5
ABSTRACT  5-9
第一章绪论  9-23
  1.1 ZnO材料概述和晶体结构  9-12
  1.2 ZnO制备  12-15
    1.2.1 ZnO薄膜制备  12-13
    1.2.2 ZnO体单晶制备  13-15
  1.3 ZnO研究热点  15-20
    1.3.1 ZnO薄膜p型掺杂  16-17
    1.3.2 ZnO材料的能带工程  17-20
  1.4 论文主要研究内容和结构  20-21
  参考文献  21-23
第二章 ZnO光致发光  23-34
  2.1 光致发光谱的测量仪器介绍  23-24
  2.2 ZnO光致发光谱带边峰  24-29
    2.2.1 自由激子和束缚激子  24-26
    2.2.2 施主束缚激子的双电子伴线  26-28
    2.2.3 施主受主对  28-29
    2.2.4 声子峰  29
  2.3 带间发光峰特征和解释模型  29-32
  参考文献  32-34
第三章 ZnO薄膜的N原位掺杂  34-47
  3.1 N掺杂ZnO薄膜的制备  34
  3.2 退火温度对N掺杂ZnO薄膜的性能影响  34-40
    3.2.1 样品表面形貌和结构分析  34-35
    3.2.2 样品的拉曼光谱分析  35-38
    3.2.3 样品的光致发光谱分析  38-40
  3.3 高温退火后薄膜低温光致发光研究  40-44
    3.3.1. 近带边发光峰分析  40-41
    3.3.2 带内发光峰分析  41-43
    3.3.3 近带边和带内发光机制的内在联系  43-44
  3.4 本章小结  44-46
  参考文献  46-47
第四章 ZnMgO合金的生长  47-58
  4.1 ZnMgO薄膜的生长参数  47-48
  4.2 ZnMgO薄膜的性能分析  48-52
    4.2.1 XRD分析  48-49
    4.2.2 AFM图分析  49-51
    4.2.3 PL谱分析  51-52
    4.2.4 Hall测量结果分析  52
  4.3 立方相退火研究  52-55
  4.4 本章小结  55-57
  参考文献  57-58
第五章 ZnMgO/ZnO异质结和二维电子气研究  58-71
  5.1 ZnMgO/ZnO异质结中二维电子气形成机制及研究状况  58-60
  5.2 ZnMgO/ZnO中二维电子气研究  60-67
    5.2.1 ZnMgO/ZnO异质结生长  61
    5.2.2 薄垒层ZnMgO/ZnO中二维电子气  61-64
    5.2.3 厚垒层ZnMgO/ZnO中二维电子气  64-66
    5.2.4 二维电子气能带图  66-67
  5.3 ZnO单晶衬底研究  67-68
  5.4 本章小结  68-70
  参考文献  70-71
第六章结论  71-72
致谢  72-73
论文发表情况  73-74

ZnO薄膜和异质结构的光电性能研究

内容摘要

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