ZnO納米材料的制備、物性及場發(fā)射原型器件研究.pdf

1、第三代半導體材料中的ZnO和GaN的禁帶寬度都在3.4 eV左右,它們的發(fā)光波長在紫外波段,這個屬性使得它們在半導體材料中處于不可取代的位置. 氧化鋅(ZnO)是一種直接寬帶隙化合物半導體材料,其室溫禁帶寬度為3.37eV,激子束縛能為60meV,遠高于其它半導體材料,如已經(jīng)在藍紫光波段發(fā)光器件方面得到廣泛應用的GaN材料的激子束縛能只有26meV;由于ZnO中的激子能夠在室溫及以上溫度下穩(wěn)定存在,而且由激子.激子散射誘發(fā)的受激

2、輻射的閾值要比電子.空穴等離子體復合的受激輻射閾值低的多,故ZnO是制備室溫和更高溫度下的半導體激光器(LDs)的理想材料.ZnO還是目前所有材料中納米結(jié)構(gòu)最為豐富的材料,現(xiàn)在諸多研究者已成功生長了如納米線、納米管、納米帶、納米環(huán)等,它們會具有量子限域效應;ZnO的納米結(jié)構(gòu)在制備納米光電子器件和納米電子器件方面有很好的應用價值,另外,ZnO的納米結(jié)構(gòu)還可以在場發(fā)射、醫(yī)療、生物傳感等領域得到應用. 為了實現(xiàn)納米ZnO在微納電子器件

3、和發(fā)光器件方面的應用,采用非金屬催化劑的自催化生長(采用金屬催化劑,金屬雜質(zhì)會擴散進入材料中,并最終形成深能級缺陷,有可能影響器件的穩(wěn)定性),獲得高質(zhì)量的納米ZnO材料這也是值得研究的.在此基礎上,對納米結(jié)構(gòu)進行有意的元素摻雜,提高ZnO納米結(jié)構(gòu)的導電性能以及穩(wěn)定性也是以后制作微納電子器件和發(fā)光器件所必需的.近年來,場發(fā)射顯示技術(shù)作為一種新型的自發(fā)光平板顯示技術(shù),其具備以下優(yōu)點:(1)冷陰極發(fā)射;(2)自發(fā)光和高亮度;(3)寬視角;(4

4、)高速響應等.ZnO納米陣列具有良好的場發(fā)射性能,是一種良好的場發(fā)射陰極材料,一些研究者進行了這一方面的研究,但仍處于探索階段.如何進一步降低場發(fā)射閾值場強,如何進一步提高其場致發(fā)射性能的技術(shù)指標和穩(wěn)定性并制作原型器件等等都需要研究.另外ZnO納米線LED簡單原型已有報道,將來有可能實現(xiàn)ZnO的納米發(fā)光器件,為了拓寬納米ZnO發(fā)光波長范圍及獲得更高效的發(fā)光,對其摻入Mg和Cd進行能帶調(diào)控也是值得進行研究的. 本文第一部分以熱蒸發(fā)

5、法實現(xiàn)了納米ZnO非金屬催化劑的自催化生長,分析了我們所采用的方法的生長機理.在此基礎上,對生長的納米ZnO陣列進行了Al摻雜的研究,深入分析了Al在ZnO禁帶中的能級位置.在生長了摻Al納米ZnO陣列的基礎上,我們采用不同的緩沖層優(yōu)化了納米ZnO陣列的場發(fā)射性能,并制作了場發(fā)射顯示原型器件.為了實現(xiàn)能帶調(diào)制,進行了合金化Mg和Cd的研究.生長了兩種具有特殊形貌的ZnMgO和 ZnCdO納米結(jié)構(gòu).主要結(jié)果如下: (1) 首次采用

6、醋酸鋅(ZA)作為自催化生長納米ZnO的原料,在兩種不同的初始溫度得到了輻射狀和準陣列的ZnO納米棒.分析認為不同形貌的直接原因在于兩種樣品的初始生長溫度不同,形成了兩種不同的形核層,從而使得最終的形貌呈現(xiàn)出兩種結(jié)構(gòu). (2) 在此基礎上,首次生長了摻Al的準陣列的ZnO亞微米棒.C-AFM(導電探針原子力顯微鏡)的分析測試表明Al的摻入很明顯的提高了ZnO亞微米棒的電學性能. 光學性能的研究發(fā)現(xiàn)表明:①Al更確切的施主

7、能級約～90meV;②在Al摻雜ZnO亞微米結(jié)構(gòu)中,室溫NBE是由束縛在表面缺陷上的激子復合和其一級LO聲子疊加而成;③摻Al引起了吸收邊藍移,而室溫PL卻發(fā)生了紅移.這些新的發(fā)現(xiàn)幫助我們更清楚地理解了Al在 ZnO中的雜質(zhì)能級. (3)以磁控濺射Au層作為初始的過渡層生長了Al摻雜的ZnO納米陣列,測試了其場發(fā)射性能,其閾值電場為4.5V/μm.與最近一些文獻報道的指標(閾值場強4.3V/μ m-19.1 V/μ m)在同一水

8、平,并獲得了場致發(fā)射顯示. (4) 首次生長了樹枝狀的ZnMgO納米棒.研究表明初始摻入的Mg是以MgO的分相形式存在的,經(jīng)過800℃退火后MgO最終轉(zhuǎn)變?yōu)榱较郱nMgO,并使其相應的PL譜中有藍移現(xiàn)象,退火樣品的帶邊輻射藍移了6nm(0.05eV). 采用高純Zn粉,醋酸鋅(ZA)和氯化鎘的混合粉生長了寶塔型的ZnCdO亞微米棒.摻入0.9at.﹪的Cd使得有效帶隙成為3.23eV,小于ZnO的有效帶隙. G

9、aN 作為已在商業(yè)領域獲得很大成功的第三代半導體,依然是學術(shù)界研究的熱點.如何在Si襯底上生長高質(zhì)量GaN為以后的光電集成奠定基礎也是GaN的研究者們所努力探索的一個方向.本文第二部分采用MOCVD法進行了Si襯底上生長GaN的研究.生長了無微裂的高質(zhì)量GaN外延膜,并對其進行了結(jié)構(gòu)、形貌等的測試分析研究,最后運用高分辨XRD對于位錯以及外延關系進行了研究.現(xiàn)簡要介紹如下:(5)預沉積合適的TMAl可以有效的防止Si襯底的氮化,采用10