L-MBE法生長ZnO薄膜的p型摻雜及分析表征.pdf

1、近年來，ZnO由于其良好的激子發(fā)光特性而受到眾多研究機(jī)構(gòu)的關(guān)注。其具有比GaN和ZnSe材料更高的室溫激子束縛能，有望實(shí)現(xiàn)室溫甚至更高溫度下運(yùn)轉(zhuǎn)的低閾值紫外發(fā)光器件。目前，阻礙ZnOLED及LD器件實(shí)現(xiàn)的主要障礙是ZnO的單極性特性，即難以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定而高濃度的p型摻雜。而要實(shí)現(xiàn)ZnO的高濃度p型摻雜，首先需要解決的問題是降低ZnO本征材料的本底電子濃度，以減小ZnO本征缺陷的自補(bǔ)償效應(yīng)。同時(shí)要實(shí)現(xiàn)低閾值、高亮度的ZnO發(fā)光器件，則更需要生

2、長出高結(jié)晶質(zhì)量和發(fā)光質(zhì)量的ZnO薄膜。本文首先集中精力進(jìn)行了高質(zhì)量ZnO單晶薄膜的生長，獲得了低本底電子濃度和缺陷密度、高發(fā)光質(zhì)量的本征ZnO薄膜；其次進(jìn)行了ZnO薄膜的p型摻雜研究，最終采用離子注入法實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定而高濃度的p型ZnO薄膜，并進(jìn)一步制作了p-ZnMgO／n-ZnOp-n結(jié)原型器件。本工作取得了許多創(chuàng)新性的發(fā)現(xiàn)和成果，主要包括： 采用激光分子束外延法(L-MBE)在c面藍(lán)寶石襯底生長出了低本底電子濃度、高結(jié)晶質(zhì)量和發(fā)

3、光質(zhì)量的ZnO單晶薄膜。其中ZnO(0002)面的搖擺曲線FWHM為213"，室溫N帶紫外受激發(fā)光閾值為200kW/cm2，ZnO薄膜的本底電子濃度為4.72×1016cm-3，以上結(jié)果均是穩(wěn)定而可重復(fù)的。 利用小角度X射線分析技術(shù)fGIXA)成功地測出了藍(lán)寶石襯底上外延的ZnO薄膜以及ZnO／ZnMgO異質(zhì)結(jié)的x射線反射率OCRR)振蕩曲線，并將其應(yīng)用于退火前后的ZnO薄膜表面與界面特性的定量分析之中。 提出并實(shí)現(xiàn)了Z

4、nO超晶格緩沖層結(jié)構(gòu)(SL-buffer)的L-MBE法生長，并在其上成功實(shí)現(xiàn)了厚度為300nm的ZnO薄膜的2D逐層生長(layer-by-layer)，獲得了十分平整的ZnO表面。 通過對A1203(0001)襯底上外延ZnO薄膜的兩種在面(in-plane)取向的分析結(jié)果，提出了基于ZnO六方相結(jié)構(gòu)的應(yīng)變弛豫模型：即ZnO薄膜中的應(yīng)變和弛豫狀態(tài)取決于不同在面取向下的外延層同襯底間的晶格、熱膨脹系數(shù)失配產(chǎn)生的應(yīng)變以及本征點(diǎn)缺

5、陷產(chǎn)生的應(yīng)變這兩種應(yīng)變機(jī)制的綜合作用結(jié)果。 生長并觀察到了ZnO自組織量子點(diǎn)鏈(QDCs)結(jié)構(gòu)的量子限域現(xiàn)象，并采用飛秒時(shí)間分辨測試系統(tǒng)(TRPL)測試到了QDCs的雙指數(shù)衰減特性，衰減常數(shù)分別為t1=38．21ps及t2=138．19ps。 對L-MBE法生長的ZnO及ZnMgO薄膜進(jìn)行了氮離子注入摻雜和原位氣相摻雜的研究，獲得了具有較高摻雜濃度的p型ZnO薄膜，達(dá)到國際先進(jìn)水平。 成功制作了閾值電壓為1.2V