宽直接带隙Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体材料ZnO，由于其光电特性受缺陷影响较小，激子束缚能较高（60meV，GaN为25meV），体材料可得，生长温度较低（可在200-700℃左右成膜，比GaN低几百度），并且材料来源广泛、价格低廉，而成为继GaN之后在光电研究领域，极有希望用于紫外和蓝色发光器件的新型光电子材料。利用ZnO材料，可以制作紫外探测器、紫外发光管和激光器、高频表面声波器件、透明导电电极、微型传感器等，其在航天、通讯、卫生等高新技术领域和广阔民用领域都具有广泛的用途。制备ZnO薄膜的方法有很多，包括：溅射方法（sputtering）、金属有机气相外延（MOVPE）、分子束外延（MBE）、脉冲激光沉积（PLD）、原子层外延（ALE）、等离子体加强化学气相沉积（PECVD）、溶胶-凝胶法（soll-gel）、喷涂热解法（spray pyrolysis）、电子束蒸发法（e-beam evaporation）等等。从目前生长高质量ZnO薄膜、研究p型掺杂、制作ZnO发光二极管及ZnO材料的能带工程等方面来看，人们更多的还是把注意力集中在MOVPE、MBE、PLD以及溅射方法上。本论文即利用MOVPE方法，在不同的衬底Al₂O₃、CaF₂、GaAs上生长ZnO薄膜，采用独特的X射线衍射技术，首次深入分析了ZnO薄膜的生长取向偏差，并研究了外延生长过程中，生长温度和氧源流量对ZnO薄膜性质的影响，同时对ZnO薄膜的N掺杂以及p型ZnO薄膜的制备进行了研究。 实验中发现：在Al₂O₃衬底上生长的ZnO薄膜，其在外延生长过程中明显存在与c轴及与生长平面的取向偏差，偏离程度与生长温度密切相关，在550℃下生长的薄膜结晶质量较好，其柱状晶粒与c轴方向的偏差为2.7°，扭转相中a轴与生长平面的偏差为2.5°；在620℃下生长的薄膜结晶质量较差，其柱状晶粒与c轴方向的偏差为6.3°，扭转相中a轴与生长平面的偏差为14°，这主要是由于生长温度的升高加重了两种源的气相预反应，生成的ZnO粉末颗粒影响到衬底上薄膜的成核和进一步生长的缘故。以蓝宝石Al₂O₃（001）为衬底生长ZnO薄膜，二者的外延对应关系为：ZnO（001）//Al₂O₃（001），ZnO[100]//Al₂O₃[110]，ZnO[100]//Al₂O₃[100]。同时发现，生长温度对ZnO薄膜的结构、形貌以及光电特性都有着显著的影响。600℃生长的薄膜，各晶吉林大学博士学位论文产碑 急柱尺寸最小，薄膜表面起伏较大，而550℃生长的薄膜，晶柱不很明显，晶柱间相互融合，薄膜表面起伏较小。但在600℃下生长的薄膜发光质量较好，其光致发光谱中几乎看不到深能级发光峰，紫外峰与深能级发光峰强度比值可达167:1。 我们还发现:氧气流量的大小也明显影响薄膜的结构、表面形貌及其光电特性。在当前生长条件下，增加氧气流量，Zno薄膜的结晶质量有所下降，由单一c轴取向变为多取向薄膜，并且柱状晶粒尺寸减小，但薄膜表面更加光滑平整。ZnO的光致发光特性同薄膜中的Zn、O组份配比密切相关，随着氧气流量的增加，光致发光谱中紫外峰明显增强，而深能级峰明显减弱，二者峰强比值达到148:1，薄膜的光学质量有所提高。氧气流量的增加，同时也使薄膜的电阻率升高，载流子浓度和迁移率随之下降，Zno薄膜中的n型导电也许来自于氧空位V。。 对ZnO薄膜的掺杂研究表明:NH3经射频源离化后，可以将N元素有效地掺入到ZnO薄膜当中形成高阻薄膜，当NH3气流量为90sccm/min时，Zno:N薄膜结晶质量较好，但为多种取向膜;XPS分析表明，掺入的N元素形成Zn一N键，N原子替代0原子的位置而成为受主。 在CaFZ（1 11）衬底上，在国内，我们首次生长了较高质量的Zno薄膜，薄膜为c轴择优取向，（002）面X射线衍射峰半峰宽只有0.18“，薄膜高度透明，透过率超过90%，并且表面光滑平整，均方根粗糙度为6.744nm。 10K温度下的PL谱中，可以明显观察到A、B自由激子的辐射复合发光峰，它们分别位于3.374ev和3.385ev。PL谱中的主峰来自于施主束缚激子的辐射复合（D0x），其位于3.362ev。另外，我们还可以观察到受主束缚激子的发光峰（Aox）、施主一受主对（DAP）的发光峰及自由激子、施主束缚激子（Dox）的声子伴线。Zno薄膜显示n型电导，电阻率为114Ocm，载流子迁移率为15.7cmZ/Vs，载流子浓度为3.50 X 10’sem一，。 在GaAS（001）衬底上，当生长温度为6 1 ooC，02流量为1 30Seem/min时，生长的薄膜柱状晶粒尺寸较大，结晶较好，（002）衍射峰半高宽Fw阴为0.185。。分析结果表明:生长过程中02流量的大小明显影响Zno/G aAs薄膜的光致发光特性。02流量增加，会使紫外峰显著增强，深能级发光峰明显减弱，深能级发光峰同氧空位密切相关。生长的ZnO/GaAS薄膜，在仇流量为180sccm/min:、/o/吉林大学博士学位论文产. - 白.时，薄膜电子迁移率最高，为30.4。mZ/Vs，电阻率也最高，为647 Qcm，相应载流子浓度最低，为1.ZX10‘4cm一，。 我们首次采用MOVPE技术，利用过量的氧消除Zno中的自补偿效应的方法，成功制备了本征p一ZnO薄膜。实验中发现，氧气流量的大小是一个至关重要的工艺参数。在当前生长条件下，当氧气流量高于1705。cm/min，得到的为p一Zno薄膜。其最大载流子迁移率可达9.23cmZv一，s一，，相应的载流子浓度为1.59x1016cm一，