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ZnO作为一种重要的直接带隙的宽禁带材料,它可用于制作平板显示器件、发光二极管、激光器等光电子器件。为了制作上述的器件和实现上述的用途,如何生长出高质量的ZnO薄膜材料是根本所在。本论文以ZnO薄膜生长和相关物性的研究为目的,首先针对MOCVD生长ZnO薄膜的困难,对自行研制的MOCVD反应室进气结构进行了改造,使之适合ZnO薄膜的生长;接着研究了衬底转速、衬底晶面、O源对薄膜生长模式的影响;运用快速热退火对薄膜进行了处理;通过N扩散和磷离子注入对ZnO薄膜进行p型掺杂;最后用XPS测量了氧化物异质结的界面能带结构。取得的主要成果如下:
(1)为了解决生长中预反应的问题,把MOCVD反应室进气结构改造成水平垂直喷气结构,成功的降低了预反应。在此基础上研究了衬底转速对薄膜生长模式的影响,摸索出生长ZnO薄膜的最佳转速,为进一步提高薄膜质量创造了条件。
(2)证实了r面蓝宝石的表面能比c面的小,更有利于增原子的迁移;提出甲醇作为氧源的同时,还有一部分作为表面活化剂,改变了衬底表面的电子态,降低了其表面能。两者均能促进薄膜的二维模式生长,在r面蓝宝石上用甲醇作为O源获得了高质量表面平整的薄膜。
(3)用快速退火的方法对甲醇作为O源生长ZnO薄膜进行热处理,大幅度提高了薄膜的物理性能。发现甲醇是ZnO薄膜生长的良好的O源,快速退火处理在有效提高薄膜质量的同时避免了薄膜中新缺陷的生成,将有助于p型掺杂的实现。
(4)在InN薄膜上生长ZnO薄膜,通过快速热退火使N扩散进入上层ZnO薄膜并激活成受主态实现了p型转变,同时并发现In没有扩散进入ZnO薄膜中,只是在界面处聚集。在此基础上制作成了p-n同质结,具有明显的整流特性,进一步证明了N扩散掺杂的成功。
(5)对磷注入掺杂的ZnO薄膜进行快速热退火使P激活,在80K温度下,观察到了ZnO薄膜的p型导电,这源于随着温度的降低施主态冻结速率较大。拉曼谱证明退火后薄膜的注入损伤部分得到恢复,薄膜具有良好的透明性和光致发光性能。我们认为快速热退火是p型ZnO制备中一重要的技术,其既能在高温下激活掺杂原子又因为退火时间短能避免大量点缺陷的生成。
(6)用MOCVD制备了ZnO/GaAs、MgO/ZnO、MgO/InN等异质结,并用XPS测量了其价带差,讨论了XPS测量中可能存在引起误差的因素,并通过理论模型计算进一步证实了实验结果的可靠性。发现ZnO/GaAs属于第二类异质结,也就是GaAs的导带能级高于ZnO的导带能级;MgO是ZnO、InN基器件良好的栅极材料,它们的带阶差均大于1eV,能对载流子进行有效限制。