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L-MBE法生长ZnO薄膜的p型掺杂及分析表征

杨晓东  
【摘要】:近年来,ZnO由于其良好的激子发光特性而受到众多研究机构的关注。其具有比GaN和ZnSe材料更高的室温激子束缚能,有望实现室温甚至更高温度下运转的低阈值紫外发光器件。目前,阻碍ZnO LED及LD器件实现的主要障碍是ZnO的单极性特性,即难以实现稳定而高浓度的p型掺杂。而要实现ZnO的高浓度p型掺杂,首先需要解决的问题是降低ZnO本征材料的本底电子浓度,以减小ZnO本征缺陷的自补偿效应。同时要实现低阈值、高亮度的ZnO发光器件,则更需要生长出高结晶质量和发光质量的ZnO薄膜。本文首先集中精力进行了高质量ZnO单晶薄膜的生长,获得了低本底电子浓度和缺陷密度、高发光质量的本征ZnO薄膜;其次进行了ZnO薄膜的p型掺杂研究,最终采用离子注入法实现了稳定而高浓度的p型ZnO薄膜,并进一步制作了p-ZnMgO/n-ZnO p-n结原型器件。本工作取得了许多创新性的发现和成果,主要包括: 采用激光分子束外延法(L-MBE)在c面蓝宝石衬底生长出了低本底电子浓度、高结晶质量和发光质量的ZnO单晶薄膜。其中ZnO(0002)面ω摇摆曲线FWHM为213″,室温N带紫外受激发光阈值为200kW/cm~2,ZnO薄膜的本底电子浓度为4.72×10~(16)cm~(-3),以上结果均是稳定而可重复的。 利用小角度X射线分析技术(GIXA)成功地测出了蓝宝石衬底上外延的ZnO薄膜以及ZnO/ZnMgO异质结的X射线反射率(XRR)振荡曲线,并将其应用于退火前后的ZnO薄膜表面与界面特性的定量分析之中。 提出并实现了ZnO超晶格缓冲层结构(SL-buffer)的L-MBE法生长,并在其上成功实现了厚度为300nm的ZnO薄膜的2D逐层生长(layer-by-layer),获得了十分平整的ZnO表面。 通过对Al_2O_3(0001)衬底上外延ZnO薄膜的两种在面(in-plane)取向的分析结果,提出了基于ZnO六方相结构的应变弛豫模型:即ZnO薄膜中的应变和弛豫状态取决于不同在面取向下的外延层同衬底间的晶格、热膨胀系数失配产生的应变以及本征点缺陷产生的应变这两种应变机制的综合作用结果。 生长并观察到了ZnO自组织量子点链(QDCs)结构的量子限域现象,并采用飞秒时间分辨测试系统(TRPL)测试到了QDCs的双指数衰减特性,衰减常数分别为t_1=38.21ps及t_2=138.19ps。


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