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低温生长高质量氧化锌薄膜及其特性研究

李炳生  
【摘要】: 由于紫外波段激光器在信息显示和信息存储特别是在海底探测,紫外通讯和光存储,医疗和诊断,防伪和检测,分析仪器等方面都有十分重要的应用,是一项具有重要应用前景的基础研究。氧化锌作为一种宽带隙半导体(3.3eV),激子束缚能大(60meV),在室温下容易获得强的激子发射,而且可能成为紫外激光的重要材料。因此,对氧化锌的研究已成为继GaN之后宽带隙半导体研究的又一热点。 为了获得高质量的氧化锌薄膜材料,人们已采用分子束外延,有机化学汽相沉积,脉冲激光沉积,磁控溅射等各种技术来制备氧化锌薄膜材料。为了在低温下制备高质量的氧化锌薄膜,我们采用金属有机源和二氧化碳气源,首次利用等离子体增强化学气相沉积的技术在低温下制备了高质量的氧化锌薄膜,系统地研究了生长条件以及衬底表面氧化层对薄膜质量的影响,确定了生长高质量氧化锌薄膜的优化条件;为获得p-ZnO材料,克服在ZnO中掺N杂质间相互作用影响掺杂效率不易获得p-ZnO的困难,我们通过热氧化Zn3N2的方法制备了p-ZnO,获得了一系列研究结果: 1、详细研究了气体流速比,衬底温度和射频功率实验参数对氧化锌薄膜特性的影响。首次报道了用这种方法在衬底温度为180 oC条件下制备了(0002)择优取向,其X-射线衍射峰的半峰宽为0.2度的高质量氧化锌薄膜。 2、详细研究了氧化锌薄膜的光学特性,分析了氧化锌薄膜光学特性和发光特性与制备条件的关系。在高质量氧化锌薄膜中室温下观察到了强的激子吸收,在发光谱中,得到了半高宽为90meV的强的自由激子发射。 3、首次报道了射频功率对氧化锌薄膜性质的影响。随着射频功率从6 W增大到19W,氧化锌薄膜的结晶性逐渐增强,当射频功率为19W时,氧化锌具有强和窄线宽的自由激子发射,薄膜表面平整,晶粒均匀。然而随着射频功率的进一步增加,薄膜的结晶质量降低,紫外发光变弱,深缺陷发光增强,薄膜的表面平整度变差。 4、通过用等离子体对硅衬底表面进行清洗和钝化两步处理,解决硅衬底表面的氧化层和界面电荷平衡问题,制备出了高质量的氧化锌薄膜材料,找到了一条获得了高质量的氧化锌薄膜的新途径。 5、用等离子体增强的化学汽相沉积的方法制备了Zn3N2 薄膜,首次通过热氧化Zn3N2的方法,制备出了受主型载流子浓度为1017cm-3的p-ZnO薄膜。通过这种方法可以克服N原子不容易惨杂进氧化锌的困难,并且可以通过控制退火过程来控制N原子WP=5的掺杂浓度。为制备p-ZnO提供了一种新的思路和方法。


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