非極性ZnO基薄膜制備及Na摻雜和ZnMgO-ZnO多量子阱研究.pdf

1、氧化鋅(ZnO)是Ⅱ-Ⅵ族寬禁帶的直接帶隙化合物半導體材料，禁帶寬度為3.37 eV，激子束縛能60 meV，是制備發(fā)光二極管和半導體激光器的一種有潛力的材料。由于ZnO通常沿著c軸方向生長，具有很強的自發(fā)極化和壓電極化效應(yīng)，在這個方向制備的量子阱有很強的內(nèi)建電場，導致制備出的光電器件發(fā)光效率較低，發(fā)光峰紅移。通過沿著垂直與c軸方向也就是非極性方向生長薄膜可以消除內(nèi)建電場的影響。因此，我們開展非極性薄膜的生長、合金化和多量子阱研究，并采

2、用IA族元素Na作為p型摻雜劑，開展了Na摻雜的非極性ZnO研究，為實現(xiàn)ZnO基光電器件應(yīng)用探索出一條新的道路。本論文的研究工作主要包括以下內(nèi)容:
　　1.利用脈沖激光沉積技術(shù)在m面藍寶石襯底上外延m面ZnO薄膜，系統(tǒng)的研究了生長溫度、沉積壓強對薄膜的影響。結(jié)果表明得到的ZnO薄膜都是沿著非極性m面方向生長的，不合有極性和半極性成分，在較高的溫度和較低的壓強下制備的薄膜晶體質(zhì)量比較好。在r面藍寶石上外延出a面ZnO薄膜，薄膜的搖擺

3、曲線半高寬僅有0.47°，表面粗糙度1.7 nm，比m面ZnO薄膜有更好的晶體質(zhì)量。
　　2.采用PLD方法在r面藍寶石上制備了Na摻雜的非極性a面ZnO薄膜，實現(xiàn)了非極性a面ZnO薄膜的p型轉(zhuǎn)變。研究了Na含量、生長溫度和沉積壓強對電學性能的影響。得到的p型薄膜最佳的電學性能為:電阻率102Ωcm，空穴遷移率1.41 cm2/Vs，載流子濃度5.19×1016 cm-3。制備出a面取向的ZnO同質(zhì)p-n結(jié)，I-V特性曲線有一定的

4、整流效應(yīng)，驗證了薄膜的p型導電行為。
　　3.制備出較好晶體質(zhì)量的非極性ZnMgO和非極性ZnCdO薄膜，實現(xiàn)了非極性ZnO薄膜的帶隙調(diào)節(jié)。研究了生長溫度和壓強對非極性ZnMgO薄膜的晶體質(zhì)量和性能的影響。在550℃，1 Pa下制備的非極性ZnMgO薄膜具有最好的晶體質(zhì)量，搖擺曲線半高寬為0.53°，AFM測試得到的表面粗糙度僅為1.54 nm。Hall測試得到薄膜的電阻率為1.51Ωcm，載流子遷移率7.74 cm2/Vs，載流

5、子濃度1.88×1018 cm-3，呈n型導電。通過改變沉積壓強，我們可以引入13％的Cd而不出現(xiàn)分相，但此時是以極性取向占主導，可以引入7.2％的Cd而薄膜仍然保持單一的a面非極性取向，實現(xiàn)禁帶寬度從3.30到3.01 eV內(nèi)變化。
　　4.在r面藍寶石上制備了一系列不同阱寬的10周期ZnMgO/ZnO多量子阱，阱寬從2.2到5.6nm范圍內(nèi)變化。XRD測試表明量子阱沿著a面(1120)方向生長，具有單一的非極性擇優(yōu)取向。截面T

6、EM測試表明量子阱有很好的周期性以及陡峭的界面。觀察到了不同阱寬量子阱在低溫和室溫下的量子限域效應(yīng)。研究了量子阱中的激子局域化效應(yīng)、激子束縛能和溫度淬滅效應(yīng)。在c面藍寶石上我們采用相同的方法制備了一系列與a面多量子阱相同阱寬的c面多量子阱，發(fā)現(xiàn)在我們所設(shè)計的阱寬范圍內(nèi)，非極性多量子阱沒有出現(xiàn)發(fā)光峰的紅移，極性多量子阱在阱寬大于5nm后出現(xiàn)了明顯的紅移現(xiàn)象，也即量子限域斯塔克效應(yīng)，同時非極性多量子阱比極性多量子阱有更高的電子-空穴限制效率