掺杂ZnO薄膜及ZnO基异质结发光器件研究

【摘要】：ZnO是具有高激子束缚能(～60 meV)的宽带隙(3.37 eV)半导体材料。它在紫外发光(激光)二极管、薄膜晶体管、紫外探测器、气体传感器、稀磁半导体等领域有广阔的应用前景。本论文针对目前ZnO研究中的热点问题，在ZnO:Mn稀磁半导体薄膜、ZnO:F透明导电薄膜以及ZnO／GaN异质结发光器件等方面，开展了一系列研究工作，取得如下主要结果： 一、采用磁控共溅射技术制备了Mn单掺杂及(Mn，N)共掺杂的ZnO薄膜。薄膜均具有单相、c轴取向的六角纤锌矿结构。Mn掺杂导致了ZnO晶格常数和光学带隙的增加，并且诱导了微结构的无序性。室温下，Mn单掺杂的ZnO薄膜仅表现出顺磁行为；而(Mn，N)共掺杂的ZnO薄膜则具有居里温度高于300K的铁磁性。并利用束缚磁极化子模型讨论了共掺杂薄膜中的铁磁耦合机制。 二、采用电子束蒸发ZnF_2结合热氧化的方法制备了F掺杂的ZnO多晶薄膜。ZnO:F薄膜具有低于10~(-3)Ωcm的电阻率和高于90％的可见光透过率。F的施主掺杂不仅提高了薄膜的电子浓度，而且钝化了ZnO纳米晶表面的缺陷态。F钝化效应体现在：(1)降低了界面势垒高度(仅为～5 meV)，增加了载流子的迁移率；(2)淬灭了与缺陷相关的ZnO可见发射，提高了紫外发光效率。此外，对ZnO:F薄膜中电子输运机制的探求发现：低温下，离化杂质是主要的载流子散射中心；高温下，极化光学声子散射降低了载流子的迁移率。 三、设计并制各了p-GaN／n-ZnO和p-GaN／i-ZnO／n-ZnO异质结发光器件。两类器件均具有良好的二极管整流特性。在p-GaN／n-ZnO异质结电致发光谱中，我们只观察到了来自于p-GaN层的蓝色发射(3.08 eV)。与之相比，在p-GaN／i-ZnO／n-ZnO结构中，超薄半绝缘ZnO层的引入限制了部分载流子在i-ZnO层中辐射复合，从而激活了来自于i-ZnO层的蓝紫色电注入发射(3.21 eV)。