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《浙江大学》 2010年
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ZnO薄膜和纳米线中的施主、受主掺杂研究

林时胜  
【摘要】:半导体固态照明有取代传统白炽灯的趋势,代表着人类未来光源的发展方向。1960年以来,科学家陆续开发出红光,绿光发光二极管。而正是科研工作者开发出了高质量p型GaN薄膜的生长技术后,高效率蓝光LED走向了商业化。目前为止,全世界很多科研工作者仍然为不断的提高GaN LED的发光效率而努力。相比较GaN, ZnO同样作为一种宽禁带半导体,有着在发光效率,材料制备,环境友好方面的优势:1)室温下激子结合能高达60 meV,是GaN的两倍多,这使得室温受激辐射能在较低阈值下出现,2)两英寸的ZnO单晶衬底已经被制备出来而且ZnO材料可以在较低温度下生长,Zn源在自然界中储量很丰富而Ga源较稀缺,3)良好的生物相容性和比GaN更强的抗辐射性能。这些方面的优势使得ZnO成为热点研究材料。ZnO的禁带宽度为3.37 eV,而宽禁带半导体的掺杂普遍存在非对称性的困难。具体对于ZnO而言,低电阻率、高空穴迁移率、高晶体质量、稳定的p型ZnO很难重复获得。本文正是在这一难点上研究了ZnO中的施主、受主掺杂行为。具体内容有以下几部分: 1)由于纳米线优越的光学性能,我们研究了ZnO纳米线中的Al、In族元素掺杂,得出Al、In的施主能级分别为75 meV和102 meV。同时,我们发现MOCVD方法生长的纳米线表面晶体质量较完美,比文献报导中气相输运法制备的纳米线表面质量要好。 2)较为系统实验研究和理论计算发现Na是ZnO的一种有效受主掺杂源。脉冲激光沉积技术可以实现Na掺杂p型ZnO薄膜,在此基础上制备的ZnO pn结能实现低温电致发光。NaZn受主能级距离价带顶距离为~164 meV。研究表明H对于稳定NaZn受主起着重要的作用。在理解Na掺杂含量、生长温度、H、氧气压对Na掺杂ZnO薄膜电学性能的影响方面后,我们提出了Na掺杂ZnO的p型导电机理模型。模型中总结了三点重要影响因素:1)H在掺杂过程中钝化和激活Nazn受主的作用,2)Nai和NaZn受主之间的竞争需要合适的Na掺杂含量,3)足够的动力学能量和非平衡态条件。 3)更进一步,研究了Mg含量对Na掺杂p型Zn1-xMgxO(0≤x≤0.25)电学性能的有较为显著的影响,10 at.%-15 at.%的Mg含量的ZnMgO薄膜的p型导电性能比ZnO:Na薄膜得到了提高。另外,在室温电注入条件下,以ZnO/ZnMgO多量子阱做为有源层的p-ZnO:Na/n-ZnO pn结能发蓝紫外光而缺陷发光非常微弱。 4)考虑到ZnO多晶体薄膜实际上由许多纳米线组合而成,晶界处的负电荷中心(可能是氧吸附)应该降低p型ZnO的迁移率。通过紫外灯光照射削弱晶界势垒后,ZnO:Na薄膜的电学性能可以得到增强,在光照后ZnO:Na薄膜甚至可以发生从n型薄膜到p型的转变。对于光照前在比较优化条件下生长的ZnO:Na薄膜:电阻率为13.8-19Ωcm、霍尔迁移率为0.12-1.42 cm2/V s、空穴浓度为4.66×1018-4.78×1018 cm-3,紫外灯光照后它的电阻率可以达到3.8Ωcm、空穴迁移率为7.91 cm2/V s、空穴浓度为2.09×1017cm-3。其中空穴迁移率能在光照后提高一个数量级,这可能是削弱晶界影响后p型ZnO:Na薄膜的导电信息。 5)文章后面的重点放在提高p型ZnO的晶体质量上,我们使用脉冲激光沉积技术,实现了P掺杂的单晶体ZnO纳米线阵列的生长,并发现单根ZnO纳米线中P掺杂可能存在不均匀现象。 6)最后,考虑到纳米技术和薄膜技术各自的缺陷和优点,我们结合纳米科技和薄膜技术,实现了单晶体p型ZnO和ZnMgO材料的制备,得到的单晶体ZnO和ZnMgO材料的p型性能在11个星期后依然稳定。
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