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《中国科学技术大学》 2010年
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ZnO和AlN薄膜的MOCVD生长及其性质研究

钟泽  
【摘要】: ZnO是一种II-VI族宽禁带半导体化合物,在室温下拥有3.3eV的禁带宽度和60meV的激子束缚能,这使其在光电器件领域的应用前景十分看好。ZnO在某些方面具有比GaN更优越的性能,如:更高的禁带宽度和激子束缚能有利于提高器件的发光强度、组分丰度高、原料成本低等,这些因素使得ZnO在光电领域的应用,已成为GaN有力的竞争对手。ZnO成为现阶段光电材料研究领域的新热点。在今后的发展中,ZnO基光电器件很可能将取代或部分取代GaN光电器件。但目前ZnO基光电器件的研究缺遇到了瓶颈,在ZnO的生长中杂质和缺陷的控制始终未能取得突破。因此需要对ZnO晶体的生长以及杂质和缺陷等对于材料的性质的影响进行深入的研究。AlN材料因具有表面声学波传播速率高、禁带宽度宽、绝缘和导热性能好、性质稳定等优点,在表面声学波、短波长发光、SOI器件以及陶瓷材料等领域有着广泛的应用,也受到了广泛的关注 本文围绕上述观点,使用MOCVD方法对ZnO薄膜的生长以及本征缺陷对于薄膜的发光性能的影响进行了一系列的研究。主要工作有: 采用水汽作氧源,二乙基锌作锌源,研究了外延条件对ZnO薄膜生长的影响。发现更高的DEZn流量有利于增强ZnO薄膜的紫外发光强度,但会使薄膜的生长呈双择优取向模式。在此前提下,保持较高的锌氧源摩尔比,优化了其它生长条件,成功制备了具有单一c轴择优取向且能产生较强紫外发光的ZnO薄膜。在此基础上对ZnO薄膜的性质展开了进一步研究。分析了锌氧源流量比、基片温度、热处理条件对于ZnO薄膜性质的影响。得出的主要结论为:ZnO中的紫外发光主要来自于自由激子和Zni施主的复合发射,两者浓度的提高都有利于增强ZnO的紫外发光。采用RF裂解载气N2产生等离子体N源,在MOCVD设备上生长了a轴择优取向的AlN薄膜。改变载气流量、生长温度、裂解功率生长了多个系列样品。对样品的分析结果表明,各种生长条件的变化对于制得的薄膜特性有不同的影响。在以上的工作基础上,进行了ZnO/AlN/Si结构的生长和特性研究。本文共分6章: 第一章,主要介绍了ZnO、AlN材料的基本性质,应用前景和研究现状。对主要的薄膜制备和表征手段进行了概述。提出了本文的工作要点。第二章,研究了采用不同进气模式下生长的ZnO薄膜的结晶和发光性质。分析了锌源浓度的提高对ZnO薄膜的生长和发光的影响。 第三章,研究了生长条件对薄膜性质的影响并对生长条件进行了一系列优化,最终在高锌源浓度气氛中制备了具有较强的紫外发光强度和单一c轴择优取向的ZnO薄膜。 第四章,通过改变锌氧源流量比、生长温度、热处理温度,进一步研究了ZnO薄膜本征缺陷与其发光性质尤其是紫外发光性质的联系。结果证明了:ZnO的紫外发光是自由激子与Zni缺陷共同作用的结果。 第五章,利用RF辅助MOCVD方法制备了a轴择优取向的AlN薄膜,对样品分析结果表明:更高的基片温度有利于AlN薄膜的生长;而在一定范围内提高载气流量和RF裂解功率能够提高薄膜的质量,但过高的载气流量和裂解功率均对薄膜的生长产生不良影响。尝试了ZnO/AlN/Si异质结构的生长和特性研究。 第六章,总结与展望。
【学位授予单位】:中国科学技术大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:O484.1

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