P-MBE法生長ZnO單晶薄膜及Na摻雜研究.pdf

1、ZnO是直接帶隙的Ⅱ-Ⅵ族寬禁帶氧化物半導體材料。室溫禁帶寬度3.37eV，對應近紫外波段，且激子束縛能高達60meV，易實現(xiàn)室溫或更高溫度下低閾值高效率的激光發(fā)射，非常適合制作短波長發(fā)光二極管(LED)和激光二極管(LD)。針對ZnO當前的研究熱點，我們開展高平整度、低缺陷密度、高晶體質(zhì)量的極性和非極性ZnO單晶薄膜的生長研究;在高質(zhì)量ZnO薄膜的基礎上，采用ⅠA族Na元素摻雜，開展ZnO的p型摻雜研究。
　　1.采用射頻等離子

2、體輔助分子束外延(P-MBE)技術(shù)在2英寸c面藍寶石襯底上生長了高質(zhì)量的ZnO單晶薄膜。通過引入MgO緩沖層技術(shù)，外延生長的ZnO單晶薄膜高分辨XRD搖擺曲線(002)面半高寬僅42.7arcsec，螺型位錯密度大幅降低（3.62×106cm-2），提高了ZnO單晶薄膜的晶體質(zhì)量。所生長的ZnO單晶薄膜具有較高的遷移率，較低的電子濃度，電阻率為0.51Ω·cm，遷移率為55cm2V-1s-1，電子濃度為2.2×1017cm-3。

3、　　2.采用P-MBE技術(shù)在2英寸a面藍寶石襯底上生長了高質(zhì)量的ZnO單晶薄膜。所生長的ZnO單晶薄膜高分辨XRD搖擺曲線(002)和(302)面半高寬分別為467.8和813.5arcsec，螺型和刃型位錯密度分別為4.35×108和3.38×109cm-2。薄膜具有較高的遷移率，較低的電子濃度，電阻率為0.12Ω·cm，遷移率為77cm2V-1s-1，電子濃度為6.9×1017cm-3。ZnO單晶薄膜具有與完整體單晶相近的優(yōu)良光學質(zhì)

4、量，綜合性能指標達到國際先進水平。
　　3.采用P-MBE技術(shù)在2英寸m面和r面藍寶石襯底上分別生長非極性m面和a面ZnO薄膜。m面ZnO薄膜高分辨XRD搖擺曲線(100)面和(101)面的半高寬分別為1212.2和1780.2arcsec;a面ZnO薄膜高分辨XRD搖擺曲線(110)面和(101)面的半高寬分別為1725.3和2148.4arcsec。在非極性ZnO薄膜的基礎上，對非極性ZnMgO薄膜的外延生長進行了初步的研究探

5、討。獲得了Mg含量為14.8at.％的m面ZnMgO薄膜，Mg含量為25.1at.％的a面ZnMgO薄膜。比較不同襯底上生長的非極性ZnMgO薄膜，在同樣的條件下，r面藍寶石襯底上生長的a面ZnMgO薄膜表面粗糙度更小，Mg含量更高。在一定的工藝參數(shù)下非極性ZnO薄膜呈現(xiàn)本征p型特征，通過低溫PL對非極性ZnO薄膜的本征p型來源進行了初步探索，推斷堆垛層錯不是或者說至少不全是ZnO薄膜產(chǎn)生p型導電行為的原因。與極性ZnO薄膜相比，初步認

6、為非極性ZnO薄膜更容易實現(xiàn)p型轉(zhuǎn)變。
　　4.采用P-MBE技術(shù)，以NaF作為Na摻雜源，分別在2英寸a、r和m面藍寶石襯底上生長Na摻雜極性和非極性ZnO薄膜。在Na摻雜極性和非極性ZnO薄膜中都獲得了呈弱p型信號（空穴濃度低、電阻率高）的樣品。經(jīng)二次離子質(zhì)譜(SIMS)和X射線光電子能譜(XPS)等分析，Na在薄膜中分布均勻，Na摻入ZnO中取代Zn的晶格位置，形成Nazn起受主作用。比較它們的Na摻雜量，非極性ZnO薄膜在