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《吉林大学》 2011年
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ZnO基光电薄膜的物性研究及光电器件的设计与制备

邓蕊  
【摘要】:ZnO宽禁带半导体,由于在短波长光电子器件潜在的应用前景,近十余年,一直是国际光电子领域的前沿课题和研究热点之一。虽然在ZnO薄膜材料制备和器件方面取得了很大的进展,但p型掺杂问题仍然没有解决,成为制约ZnO研究发展和应用的瓶颈。造成p型掺杂困难的原因主要有:一是掺杂的单极性和自补偿效应,大量本征缺陷所产生的高浓度的电子严重补偿了掺入的受主杂质;二是受主离化能高,离化率低;三是受主热力学形成能高,固溶度较低。因此,要实现高效p型掺杂,必须从两方面考虑:一、尽量提高ZnO薄膜的晶体质量、降低背底电子浓度,如采用合适衬底,生长非极性ZnO薄膜(避免极性ZnO薄膜中存在的30度的晶轴);二、选择合适的受主杂质,使其在ZnO中有较低的离化能和较高的固溶度。本论文主要针对当前ZnO在p型掺杂及其应用研究中所面临的问题,开展了极性面和非极性面ZnO薄膜的晶体结构、电学及光学性质;以IB族元素Ag作为受主杂质的p型掺杂;ZnO/NiO基异质结紫外探测器设计与制备等研究工作。取得的主要结果如下: (1)利用P-MBE技术,在c-Al_2O_3,石英,MgO(111)和MgO(100)衬底上生长ZnO薄膜。发现衬底材料及取向影响ZnO薄膜的择优取向和晶体质量。在c-Al_2O_3,石英和MgO(111)衬底生长的均是沿[0001]择优取向的极性面ZnO薄膜(c-ZnO),而在MgO(100)衬底生长的是沿[1010]择优取向的非极性面ZnO薄膜(m-ZnO)。研究发现异质外延生长在石英衬底的c-ZnO上具有高电阻、低电子浓度。这是与衬底和薄膜之间热失配导致的晶体质量变差相关。非极性面m-ZnO则表现出低的生长速度,且表面光滑;但电子迁移率低,这是由于面内电子迁移率各向异性和缺陷的散射造成的。 (2)利用磁控溅射技术制备出一系列Ag掺杂的ZnO薄膜;研究了不同O_2/(Ar+O_2)流量比对Ag掺杂ZnO的晶体结构、光电性能影响的规律和机制。实验发现,当流量比在0-0.75之间时,ZnO:Ag薄膜呈n型导电性,而在大于0.75后呈现p型导电性。随着氧流量的增加,n型薄膜的电阻率从0.95增加到36.3Qcm,并且电子浓度从3.6x1018降至3.1×1017 cm-3,这是由于本征施主缺陷得到抑制,同时形成了Agzn受主的结果,随着受主浓度的进一步增加,出现了导电类型的转变。在获得p型ZnO薄膜的基础上,制备了n-ZnO/p-ZnO:Ag同质结,并观察到微弱的整流特性。 (3)利用磁控溅射和P-MBE技术制备了n-ZnO/p-NiO异质结,并研究了n-ZnO/p-NiO异质结界面处的两种半导体材料的导带偏移(△Ec)和价带偏移量(△Ev)。通过XPS测试发现n-ZnO/p-NiO异质结为Ⅱ型异质结,并且价带偏移△Ev=2.60±0.20 eV和导带偏移△Ec=2.93±0.20 eV,在此基础上,设计和制备了n-ZnO/p-NiO异质结光电探测器。对其性能进行研究时发现,通过施加正负电压,可明显调控器件的响应范围。当施加反向偏压时,可得到探测器两个紫外波段的响应电流比为S1=1.8 (1ph at 380 nm/1ph at 350 nm);而施加正向偏压时,两个紫外波段的响应电流比S2=0.6 (1ph at 380 nm/1ph at 314 nm). n-ZnO/p-NiO异质结紫外探测器的实现简化了器件结构,降低了成本,为实现ZnO基紫外光探测提供了一条新途径。
【学位授予单位】:吉林大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:O484.4;TN36

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