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氧化锌基紫外光电薄膜及器件的技术研究

向嵘  
【摘要】:氧化锌(ZnO)材料是一种宽禁带的半导体材料,室温下,其禁带宽度为3.37eV,具有同第三代半导体材料GaN类似的晶体结构和物理性质,除此之外,它还和其他氧化物一样具有稳定的化学特性和耐高温性质,ZnO材料来源丰富,制备方法简单,成本低廉。在紫外发光器件和紫外光探测器件方面具有重要应用。成为继GaN材料之后光电子领域的又一研究热点。要制备高性能的ZnO基光电子器件,首先要制备高质量的ZnO基薄膜。目前,高质量的ZnO薄膜通常制备在蓝宝石、GaN等衬底上,这些衬底材料不但价格昂贵、很难解理,更重要是的很难同集成微电子和光电子技术工艺相兼容。本论文首先在主要衬底Si片和辅助衬底石英玻璃上,以金属Zn靶作为溅射靶材、以Ar气和O气分别作为溅射气体和反应气体,采用射频反应磁控溅射的方法制备了ZnO薄膜,深入的研究了不同溅射电压、不同氧氩比例对ZnO薄膜的结构、光致发光特性、光学透过率、光学带隙、电学特性、薄膜厚度、薄膜中Zn/O原子比例的影响规律。并确定了最佳的ZnO薄膜制备工艺条件。 为了进一步提高Si衬底上ZnO薄膜的质量,解决Si衬底与ZnO薄膜晶格失配和应力的问题,我们提出了两种改进方案。第一种方案是在Si衬底上以金属Al靶作为溅射靶材,同样采用反应磁控溅射的方法首先制备一层Al2O3缓冲层,并对其的结构、Al/O原子比例和表面形貌特性进行了研究。进而在样品不出生长室的情况下,仍采用反应磁控溅射的方法制备后续的ZnO薄膜。深入研究了不同厚度的缓冲层对ZnO薄膜结构和光学特性的影响,发现通过引入缓冲层后,ZnO薄膜的结构和光学特性都得到了很大改善,并确定了合适的缓冲层厚度。第二种方案,在国内首次提出引入光刻工艺,在Si衬底上首先采用光刻和刻蚀技术制备多许多“台阶”,然后在上面采用磁控溅射方法制备ZnO薄膜,着重对比研究了工艺改进前后ZnO薄膜的质量。一方面可以缓解Si衬底和ZnO薄膜的晶格失配造成的应力;另一方面,可以为后续制备的ZnO薄膜提供更多的初始“成核”位置。着重研究了两种不同形状的“台阶”对ZnO薄膜性质的影响,发现引入光刻工艺后,ZnO薄膜(002)衍射峰的半峰宽明显减小,紫外发光峰明显增强,质量有了较大程度的提高。 论文在制备了ZnO薄膜的基础上,对ZnO基紫外光探测器也进行了基础研究。主要研究了ZnO基光导型紫外光探测器和ZnO基pn结型两种结构的探测器。其中光导型结构探测器我们采用的是Al/ZnO/Al结构。器件在紫外光区有很高的响应度,响应度的最大值出现在362 nm处。由于ZnO薄膜通常呈现n型电导,很难制备p型ZnO薄膜。因此本论文主要研究了ZnO基异质结紫外光探测器。制备的p-Si/n-ZnO异质结紫外光探测器对可见光和紫外光均有一定响应,为了消除对可见光的响应,实现ZnO基器件单一的紫外响应,我们率先在国内开展了宽禁带、透明的p型NiO半导体光电子材料的研究工作,并采用NiO陶瓷靶,利用射频反应磁控溅射的方法制备了NiO薄膜,通过改变溅射电压和O/Ar比例,进一步提高了NiO薄膜得质量。在此基础上,我们在国内首先制备了p-NiO/n-ZnO紫外光探测器,在波长360nm处,出现了最大的响应度为0.09A/W。 论文最后给出了整个论文的结论,并对未来Zn0薄膜和器件的发展做了展望。


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