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采用MOCVD方法在Si和InP衬底上制备ZnO薄膜及其发光器件

朱慧超  
【摘要】: ZnO是一种具有压电和光电特性的直接宽带隙半导体材料,是人们关注的短波长光电材料的新焦点。其具有高的激子束缚能(60meV),极好的抗辐照性能和化学稳定性能,低的外延生长温度和大尺寸衬底材料等一些独特的优点,有望用于制备UV发光二极管和低阈值激光器。 本论文即采用MOCVD技术,在n-Si、n-InP衬底上生长ZnO薄膜,研究了外延生长过程中生长温度和气体流量对ZnO薄膜结构性质、表面形貌和光学性质的影响,同时采用生长薄膜后热处理的方法,通过热扩散使衬底中含有的V族元素进入ZnO薄膜中,取代O元素或者占据O空位成为受主,从而成功制备出p-ZnO薄膜,我们利用XPS技术已经证实了P元素在ZnO薄膜中的存在。我们利用真空蒸发技术制备了金属点状电极,并且研究了n-Si/p-ZnO异质结的整流特性。 实验发现,生长温度对ZnO薄膜的结构、表面形貌和光学质量有重要的影响:不同温度下生长的样品,在610°C生长样品的(002)峰最强,薄膜晶粒尺寸较大,说明在此温度下生长的薄膜质量最好。氧气流量对ZnO薄膜的晶体结构、表面形貌和表面形貌有显著影响:当氧气流量为180sccm时,样品只出现ZnO(002)面的衍射峰,且峰强度最强,薄膜晶粒较大;当氧气流量超过180sccm时,随着其流量的增加,(002)衍射峰和其他峰强度逐渐减弱。氮气流量对ZnO薄膜的晶体结构、表面形貌和光学特性有显著影响:实验发现,最佳的流量为600sccm。通过对样品的XRD谱的比较可知,当氮气流量超过600sccm时ZnO(002)衍射峰强度降低,半高宽增大,薄膜的晶体质量显著降低。 我们首次采用MOCVD生长技术,在n-Si衬底上通过P元素热扩散的方法制备出p-ZnO薄膜。采用X光电子能谱仪(XPS)分析了P在ZnO薄膜中的存在状态,结果表明,随着刻蚀深度的增大,P元素的含量有所提高,许多P原子取代O的格点位置,作为受主存在,使得薄膜转为p型。通过重复实验我们发现,热扩散是改变薄膜电导类型的关键原因。高温改善了薄膜的结晶质量,减少了晶粒间界原子所占的比例,使存在于晶粒间界的P原子扩散入晶体内部而占据O的位置,从而使薄膜变为p型。 我们首次采用MOCVD外延生长技术,在掺杂不同元素(磷,砷,锑)的三种n-Si衬底上生长ZnO薄膜成功地制作了n-Si/p-ZnO/n-ZnO发光器件并分析了电致发光特性。所有n-Si/p-ZnO/n-ZnO异质结都表现出典型的整流特性,正向开启电压大约为2V,反向电流随反向偏压线性增加。在达到一定的正向电流时,器件发出白色的光芒,我们记录并分析发光主要是由于电子和深受主能级辐射复合。 我们首次采用MOCVD技术在两种n-InP衬底上观察到n-InP/p-ZnO/n-ZnO异质结的电注入发光,并分析了其发光特性。同样的,由于衬底中含有大量的P元素可于通过热扩散进入ZnO薄膜中取代O元素或者O空位成为受主,从而使靠近衬底的ZnO薄膜成为p型,而远离衬底的ZnO薄膜仍为n型,这样我们就得到了n-InP/p-ZnO/n-ZnO异质结构。我们测试了n-InP/p-ZnO/n-ZnO异质结的电致发光特性。发光在可见光区,它与我们所期待的紫外发光相比,出现了红移,我们认为这是p-ZnO层的载流子浓度很低的缘故,或者是因为薄膜中存在部分缺陷使得注入的电子在经过势垒层到达p-ZnO区时容易与价带深能级发生辐射复合。


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