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ZnO薄膜及其光电子器件中的晶格失配与应力问题研究

李永峰  
【摘要】: 氧化锌(ZnO)是一种直接宽带隙半导体材料,室温下带隙宽度3.37 eV,激子束缚能高达60 meV,在室温下即可获得高效的紫外激子发光。然而,ZnO作为光电子材料的研究仍然存在诸多困难,主要有以下几方面的问题: (1)高质量ZnO薄膜是实现高效发光器件的前提和基础。但是,由于较难获得与ZnO有较高晶格匹配和热匹配衬底材料,ZnO薄膜外延生长过程中晶格匹配和应力问题严重影响ZnO薄膜的晶体质量,大大限制了ZnO薄膜在发光器件方面的应用。 (2)可重复、高质量、低电阻的p型ZnO薄膜是实现光电子器件上的必要前提,到目前为止,p型ZnO薄膜的低迁移率和低空穴浓度一直是阻碍ZnO在光电子学领域继续发展的主要瓶颈。 (3)要实现高性能的发光器件,获得高质量的异质结构以实现对载流子和光子的双重限制是十分必要的,然而,由于晶格失配及应力问题,高质量的异质结构仍然是亟待解决的问题。 本论文针对以上问题进行研究,取得的主要结果如下: (1)利用X射线侧倾法和拉曼光谱表征了生长在石英衬底上的ZnO薄膜中的双轴应力,研究了ZnO薄膜中处于双轴张应力状态。通过实验和第一原理的对比研究,阐明了双轴张应力对ZnO薄膜光学性质的影响的规律,详细讨论了双轴应力对ZnO能带结构的影响。 (2)制备MgZnO及N掺杂的p型MgZnO合金薄膜,利用Mg对导带的调制作用,降低薄膜中的电子浓度,为制备p型MgZnO合金薄膜奠定基础。利用N作为掺杂源,获得了p型MgZnO金薄膜。 (3)在蓝宝石、硅及GaN衬底上制备了ZnO/MgZnO基异质结发光二极管及紫外探测器原型器件,研究了晶格失配对ZnO基异质结光电子器件性能的影响。


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