ZnO薄膜p型摻雜的研究及ZnO納米點(diǎn)的可控生長(zhǎng).pdf

1、氧化鋅(ZnO)是一種新型的寬禁帶化合物半導(dǎo)體材料，具有直接帶隙能帶結(jié)構(gòu)，室溫禁帶寬度為3.37eV，對(duì)應(yīng)于近紫外光波段。另外，ZnO還具有60 meV的高激子束縛能，其激子在室溫下可以穩(wěn)定存在，易于實(shí)現(xiàn)室溫或更高溫度下激子-激子碰撞的受激輻射。因此，ZnO是制備半導(dǎo)體紫外LEDs(Light-Emitting Diodes發(fā)光二極管)和LDs(Laser Diodes激光器)的理想材料。除了光學(xué)性能的優(yōu)勢(shì)，ZnO還具有無(wú)毒、熱穩(wěn)定性好

2、、抗輻射性強(qiáng)、原材料豐富、外延薄膜容易生長(zhǎng)、帶隙寬度調(diào)節(jié)的合金體系(ZnMgO和ZnCdO)完備和體單晶易得等優(yōu)點(diǎn)。另一方面，ZnO還具有豐富的納米結(jié)構(gòu)，包括納米線、納米管、納米帶、納米環(huán)、納米點(diǎn)等。當(dāng)材料尺寸降低到納米尺度時(shí)，可能出現(xiàn)許多與體材料不同的新穎光電性能。因此，各種ZnO納米結(jié)構(gòu)在納米電子、納米光電子、生物醫(yī)藥、氣敏傳感器等領(lǐng)域有望得到廣泛的應(yīng)用。 要實(shí)現(xiàn)ZnO在光電領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，首先必須獲得性能良好的n型和p型材

3、料。然而，ZnO具有強(qiáng)烈的摻雜單極性，天然為n型，通過(guò)摻雜人們已經(jīng)獲得了高質(zhì)量的n型ZnO。但是ZnO的p型摻雜卻異常困難，在取得一定進(jìn)展的同時(shí)仍存在諸多問(wèn)題，并且對(duì)于何種元素為ZnO最佳受主元素的問(wèn)題還不甚明了。這是目前制約ZnO材料實(shí)際應(yīng)用的最大瓶頸，也是ZnO研究中面臨的主要挑戰(zhàn)。本文研究重點(diǎn)在于尋找合適的ZnO p型摻雜元素與摻雜技術(shù)，并深入探索p型摻雜機(jī)理。另外，本文也制備了ZnO納米線和納米點(diǎn)，并初步實(shí)現(xiàn)ZnO納米材料的可控

4、生長(zhǎng)。主要工作包括以下內(nèi)容： 1.在之前制備Al-N共摻p型ZnO薄膜的基礎(chǔ)上，研究生長(zhǎng)溫度和Al施主含量?jī)蓚€(gè)重要參數(shù)對(duì)薄膜p型導(dǎo)電性能的影響，提出一個(gè)共摻法生長(zhǎng)p型ZnO的模型。 2.采用磁控濺射法Li摻雜技術(shù)實(shí)現(xiàn)ZnO薄膜的p型轉(zhuǎn)變，系統(tǒng)研究了實(shí)現(xiàn)p型ZnO的生長(zhǎng)窗口和摻雜機(jī)理。研究表明，只有在富氧與合適Li含量的條件下，才能最大程度地促進(jìn)Lizn受主形成，并抑制Lii和LiZn-Lii等缺陷復(fù)合體的補(bǔ)償作用，從而獲

5、得良好的p型電導(dǎo)性能。 3.采用氧等離子體輔助MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積)法生長(zhǎng)非故意摻雜的p型ZnO薄膜。氧等離子體不僅能提高氧的化學(xué)勢(shì)，降低鋅空位等受主型缺陷的形成能，并且可以有效地提高ZnO薄膜中的氧含量，從而降低氧空位施主濃度。這兩方面最終導(dǎo)致本征p型電導(dǎo)的形成。 4.采用射頻等離子體輔助MOCVD法生長(zhǎng)p型ZnO：N薄膜，揭

6、示了p型性能對(duì)生長(zhǎng)溫度的依賴性。研究發(fā)現(xiàn)，p型ZnO：N中具有雙受主行為，等離子體輔助生長(zhǎng)將引入鋅空位受主，它和N受主一起對(duì).ZnO：N的p型電導(dǎo)起作用。作者研究了p型ZnO：N薄膜的紫外光電導(dǎo)行為，提出一個(gè)表面吸附與光脫附模型，合理地解釋了所觀察到的紫外光電導(dǎo)現(xiàn)象。采用一種非等離子體N摻雜技術(shù)實(shí)現(xiàn)ZnO的p型轉(zhuǎn)變，并制備了ZnO同質(zhì)結(jié)LEDs的原型器件。 5.采用MOCVD法在硅襯底上無(wú)催化生長(zhǎng)ZnO納米線陣列，引入低溫形核層

7、能為納米線提供良好的生長(zhǎng)核心，從而導(dǎo)致整齊陣列的生長(zhǎng)。通過(guò)控制反應(yīng)物氣體流量，可以實(shí)現(xiàn)ZnO納米線的尺寸的裁剪。 6.采用MOCVD法在硅和藍(lán)寶石襯底上可控生長(zhǎng)ZnO納米點(diǎn)，納米點(diǎn)尺寸為5～10 nin。研究發(fā)現(xiàn)，通過(guò)控制生長(zhǎng)溫度可以很好地調(diào)節(jié)ZnO納米點(diǎn)的生長(zhǎng)密度。作者報(bào)導(dǎo)了ZnMgO納米點(diǎn)的生長(zhǎng)，通過(guò)控制Mg含量，可以自由地調(diào)節(jié)ZnMgO納米點(diǎn)中自由激子(FX)發(fā)射峰位。另外，通過(guò)在納米點(diǎn)中分別引入Ga施主和N受主，可以實(shí)現(xiàn)