p-ZnO薄膜和ZnO發(fā)光器件的制備與研究.pdf

1、氧化鋅(ZnO)是一種直接帶隙寬禁帶半導體材料，室溫下禁帶寬度為3.37eV、激子束縛能高達60meV，這使ZnO材料有望在短波長高效率光電器件領域內發(fā)揮重大作用。自從1996年日本和香港的科學家首次實現了ZnO薄膜的室溫下光泵浦紫外激射以來，ZnO材料已經成為光電子領域中的研究熱點。目前，ZnO發(fā)光器件的效率較低，ZnO同質結發(fā)光二極管(LED)、激光二極管(LD)仍未達到實用化的水平，其中一個重要原因是由于穩(wěn)定、高質量、可重復的p-

2、ZnO薄膜的制備尚有一定難度。本論文針對以上這個熱點也是難點的問題，在p-ZnO摻雜和ZnO同質結LED制備方面開展了一系列研究工作。利用金屬有機物化學氣相沉積(MOCVD)技術，在多種襯底(GaAs、Si和藍寶石)上制備了高質量的p-ZnO薄膜和ZnO同質結LED。利用多種表征手段對ZnO薄膜和器件進行了深入的研究。具體研究內容如下： 首次通過擴散摻雜方法，在p-GaAs襯底上制備出具有紫外電致發(fā)光特性的ZnO同質結LED。首

3、先通過優(yōu)化實驗條件的方法在GaAs襯底上制備出高質量ZnO薄膜，然后將ZnO薄膜在適當溫度下進行退火處理，使GaAs襯底中的As擴散到ZnO薄膜中從而制備出As摻雜的p-ZnO(p-ZnO:As)薄膜，p-ZnO:As的空穴濃度最高可達～1018/cm3。在p-ZnO:As薄膜的基礎上制備出了具有n-ZnO/p-ZnO:As/p-GaAs結構的ZnO同質結LED。該器件表現出了優(yōu)異的整流特性，室溫下可觀測到明亮的電致發(fā)光。該器件電致發(fā)光

4、譜中呈現出一個位于3.2eV附近的紫外發(fā)光峰和一個位于2.5eV附近的可見發(fā)光峰。相比于其他摻雜技術，擴散摻雜方法簡單易行，而且p-GaAs襯底而具有良好的導電性和解理性，這為ZnO光電器件的制備提供了極大方便。 利用等離子輔助MOCVD設備將笑氣(N2O)離化作為N源制備出N摻雜的p-ZnO(p-ZnO:N)薄膜，并在此基礎上制備出具有n-ZnO/p-ZnO:N/Si結構的ZnO同質結LED。該器件表現出良好了p-n結整流特性

5、，其電致發(fā)光光譜中呈現出兩個發(fā)光峰，一個是位于3.14eV附近的較弱的紫外發(fā)光峰，另一個是位于2.5eV附近的強烈的可見發(fā)光峰。在眾多的襯底材料中Si具有明顯的優(yōu)勢，比如成本低廉、易于解理、具有很好的電導和熱導性能、適合大規(guī)模集成工藝等特點，因此在Si襯底上制備ZnO同質結LED有著廣闊的應用前景。 原創(chuàng)性地開發(fā)了N2O等離子保護退火工藝，實現了高質量p-ZnO:N薄膜的制備。首先利用氨氣(NH3)作為N摻雜源制備出ZnO:N薄

6、膜，然后將ZnO:N薄膜進行高溫退火處理。為了在一定程度上抑制高溫下ZnO:N薄膜中O和N的分解，采用經射頻發(fā)生器離化的N2O作為ZnO:N薄膜的退火保護氣體。通過這個技術制備出了質量較高的p型ZnO:N薄膜，其空穴濃度達到1.29×1017/cm3。在此基礎上制備出以藍寶石為襯底的ZnO同質結LED，該器件表現出了優(yōu)異的p-n結整流特性，其電致發(fā)光譜中出現了一個位于3.2eV附近的紫外發(fā)光峰和一個位于2.4eV附近的可見發(fā)光峰。值得注

7、意的是，在大部分關于藍寶石襯底上制備的ZnO同質結LED電致發(fā)光的報道中，電致發(fā)光譜中可見光的發(fā)射往往占據絕對優(yōu)勢，然而在我們的結果中紫外光的發(fā)射強度幾乎和可見光的發(fā)射強度相同。藍寶石是目前工業(yè)中短波長發(fā)光器件的主要襯底，MOCVD又是規(guī)模制備發(fā)光器件的主要設備，所以利用MOCVD設備在藍寶石襯底上制備ZnO同質結LED有著很強的市場潛力。 利用強酸弱堿鹽氯化銨(NH4Cl)的水溶液成功地實現了ZnO薄膜的可控濕法刻蝕，并且研究