低維ZnO雜質(zhì)缺陷行為及p型摻雜研究.pdf

1、作為一種新型Ⅱ-Ⅵ族直接帶隙化合物半導(dǎo)體材料，ZnO具有禁帶寬度大(3.37 eV)、激子束縛能高(60 meV)等優(yōu)點(diǎn)，非常適用于制備短波長(zhǎng)光電器件。近年來(lái)研究者們對(duì)ZnO在p型摻雜和光電領(lǐng)域做了大量研究，目前已成功制備出p型ZnO薄膜并實(shí)現(xiàn)電致發(fā)光。但要實(shí)現(xiàn)ZnO光電應(yīng)用，仍需解決p型穩(wěn)定性和提高發(fā)光效率等問(wèn)題。ZnO缺陷工程，即ZnO中雜質(zhì)缺陷調(diào)控和機(jī)理研究，有助于解決p型摻雜等科學(xué)問(wèn)題，對(duì)器件物理研究和ZnO在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用都有

2、一定的物理指導(dǎo)意義和推進(jìn)作用。
　　在本文中，我們將以缺陷工程為背景，對(duì)ZnO中常見(jiàn)缺陷態(tài)如表面態(tài)、H、Cu、 Na雜質(zhì)缺陷進(jìn)行研究，最后采用激光脈沖沉積(PLD)技術(shù)制備出p型ZnMgO摻Na薄膜并獲得Na受主能級(jí)。本論文主要研究?jī)?nèi)容包括:
　　1.采用Al2O3包覆和H等離子體處理兩種方式對(duì)ZnO納米棒進(jìn)行改性，發(fā)現(xiàn)Al2O3包覆僅僅抑制了缺陷峰強(qiáng)度，而H等離子體處理使帶邊發(fā)光峰增強(qiáng)了200倍以上。結(jié)果證明缺陷峰和表面態(tài)

3、相關(guān)，而Al2O3包覆鈍化了表面態(tài)，從而抑制了缺陷峰發(fā)光;H等離子體處理不僅鈍化表面態(tài)，還鈍化了非輻射復(fù)合中心，減少了非輻射復(fù)合的競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制，導(dǎo)致了帶邊發(fā)光效率大大提升。該結(jié)果對(duì)提高ZnO發(fā)光效率和理解表面態(tài)行為有指導(dǎo)作用。
　　2.采用高能H等離子體處理對(duì)ZnO納米棒進(jìn)行H摻雜，發(fā)現(xiàn)超強(qiáng)紫光峰主導(dǎo)的低溫光致發(fā)光(PL)譜。結(jié)合時(shí)間分辨PL和變激發(fā)測(cè)試，發(fā)現(xiàn)這個(gè)紫光峰至少存在兩種發(fā)射機(jī)制。退火實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證上述觀點(diǎn)，同時(shí)證實(shí)紫光峰和H相關(guān)

4、。研究了不同H處理功率對(duì)紫光峰的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)功率低于30W，紫光峰并不會(huì)出現(xiàn)。我們認(rèn)為，H等離子體達(dá)到一定能量后才會(huì)和ZnO中本征缺陷形成缺陷復(fù)合體，導(dǎo)致紫光峰出現(xiàn)，而在400℃退火后，由于H的逸出使得缺陷復(fù)合體分解，最終使得紫光峰消失。該結(jié)果對(duì)理解ZnO中H缺陷態(tài)的行為有物理指導(dǎo)意義。
　　3.參考選擇性靜電吸附模型，采用水熱法結(jié)合后續(xù)熱退火制備出p型ZnO摻Cu薄膜。霍爾測(cè)試和p-ZnO∶ Cu/n-ZnO同質(zhì)pn結(jié)的Ⅰ-Ⅴ整

5、流特性，均驗(yàn)證了p型的可靠性。變溫PL結(jié)果證實(shí)Cu+的存在，并計(jì)算出Cu+Zn受主能級(jí)為326 meV。我們認(rèn)為，326 meV的受主能級(jí)使得大部分空穴不能電離，造成樣品的弱p型;而Cu熱擴(kuò)散會(huì)誘生ZnO本征缺陷以及Cu復(fù)合體缺陷，會(huì)進(jìn)一步影響樣品電學(xué)性能，使得p型調(diào)控的難度大大增加。
　　4.采用PLD法制備出p型ZnMgO∶Na薄膜。通過(guò)Mg合金化緩解Na摻雜引起的較大晶格失配，極大地改善樣品表面形貌。結(jié)合變溫Hall測(cè)試和變