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《中国科学技术大学》 2011年
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ZnO/Si异质结构晶界行为及其载流子输运机制研究

刘秉策  
【摘要】:对Ⅱ-Ⅵ化合物半导体氧化锌(ZnO)材料的认识和研究已有几十年时间,并已将其应用在许多方面,但是直到1996年ZnO微晶结构薄膜在室温下的光泵紫外受激发射现象的发现,才重新燃起ZnO作为半导体发光材料使用的希望。由于ZnO存在着强烈的自补偿效应,直到今日高质量的p型ZnO材料也一直难以制备,这影响了p-n结型ZnO器件研制的进展,也推动了对ZnO基异质结构器件的关注。 由于ZnO和硅(Si)存在大的晶格失配,将ZnO沉积在Si衬底上会形成多晶结构,多晶ZnO薄膜中存在晶粒界和晶界势垒,而ZnO/Si异质结构界面处存在着高密度的界面态。对于这样一个复杂的ZnO/Si异质结构中的载流子输运机制及其多晶ZnO薄膜中晶界的存在对载流子输运过程的影响目前还缺乏研究。要想进一步在Si衬底上制作ZnO基器件,这些基础性的研究是必不可少的。 本论文工作主要围绕着Si衬底上的ZnO多晶薄膜特性以及所形成的ZnO/Si异质结构特性展开研究。通过适当的退火温度和退火气氛处理Si基ZnO薄膜,创新性地将光致发光谱测量(Photoluminescence,PL)与ZnO/Si异质结构的电学和深能级瞬态谱(Deep Level Transient spectroscopy,DLTS)方法测量相结合,深入研究了ZnO薄膜中本征缺陷、微结构与材料光电性质之间的相关问题。在上述研究的基础上,进一步研究了ZnO/Si异质结构中深能级缺陷浓度的改变与晶界行为和晶界势垒变化的关系;阐明了ZnO/Si异质结构中的载流子输运机制,解释了由于界面态和ZnO晶粒界所导致的ZnO/Si异质结构载流子输运机制的改变;确定了ZnO/Si异质结构中的耗尽区施主杂质;讨论了观察到的一些和理论相违背的ZnO/Si异质结构的电学特性。本文的主要研究工作和取得的结果如下: 1.Si基ZnO薄膜中的发光和复合中心研究 使用PL测量结合DLTS测量方法,利用不同气氛和退火温度条件,在Si基ZnO薄膜中识别出一个中性施主—价带(D0h)发光深能级中心(ET=EC-0.13eV)和与Zni相关的缺陷深能级(ET=EC-0.24eV),探讨了上述深能级中心的行为,研究方法和结果为国内外首次发表。论文结果对研究Si基ZnO薄膜的复合和发光中心有参考作用。 2. ZnO/p-Si异质结构中晶界层行为研究 Si基ZnO薄膜中存在晶粒界和晶界势垒,而ZnO/Si界面存在着高密度的界面态。目前,对ZnO/p-Si异质结构中晶界势垒和界面态对载流子输运机制的影响还缺乏研究。本论文第五章工作中通过联合原子力显微镜(Atomic Force Microscope, AFM)、C-V和DLTS测量技术探讨了晶界势垒和空间耗尽区形成的机理。通过变温Ⅰ-Ⅴ测量以及对测量结果的Arrheni us-Plot拟合分析,合理解释了ZnO/p-Si异质结构的电流输运受到晶界势垒的控制,并对ZnO/p-Si异质结构整流特性的改善和其晶界势垒反常变化行为的消失给出了合理的解释。由于ZnO/p-Si异质结构是实现ZnO器件实用化的基础,研究结论对后续的研究具有一定借鉴作用。 3. ZnO/p-Si异质结构中晶界电阻特性研究 由于晶格失配导致ZnO/p-Si异质结构中引入大量晶界和界面态,使得ZnO/p-Si异质结构的晶界电阻温度系数受到晶界行为和界面态的共同影响,这导致了ZnO/p-Si异质结构具有变化的晶界电阻温度系数。本论文第六章工作中利用不同退火气氛和温度,解释了ZnO/p-Si异质结构的晶界电阻温度系数受晶界行为和界面态控制的机制,并区分了晶界和界面态的对晶界电阻不同作用影响。 4. ZnO/n-Si异质结构光电特性研究 相对于ZnO/p-Si异质结构来说,对于沉积在n-Si衬底上的同型异质结构ZnO/n-Si光电特性的研究几乎未见报道,而同型异质外延结构在许多方面有着广泛的应用。本文第七章中使用热激电流法(Thermal simulate current,TSC)及椭偏折射率测量技术等,利用氧气氛围下的不同退火温度,研究了ZnO/n-Si多晶薄膜中的微结构改善对ZnO/n-Si异质结构的光电特性的影响,并对其反常的C-V特性做出了一个初步的解释。
【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】:2011
【分类号】:O471.4

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【引证文献】
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