單源化學(xué)氣相沉積制備ZnO薄膜及光電性質(zhì)研究.pdf

1、ZnO是一種直接寬禁帶半導(dǎo)體材料，室溫禁帶寬度為3.37eV，激子束縛能高達(dá)60meV。因此可以實(shí)現(xiàn)室溫下的高效率激子發(fā)射以及紫外發(fā)光，使得ZnO成為一種極具發(fā)展和應(yīng)用潛力的半導(dǎo)體材料，有望在不久的將來(lái)取代Ⅲ-V族半導(dǎo)體材料，在短波長(zhǎng)發(fā)光二極管、激光器等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。 要實(shí)現(xiàn)ZnO基光電器件的應(yīng)用，首先必須獲得高質(zhì)量穩(wěn)定p型ZnO薄膜，其次是要提高ZnO的發(fā)光效率。而ZnO因其本征缺陷而天然呈n型導(dǎo)電特性，導(dǎo)致高質(zhì)量穩(wěn)定p

2、型ZnO薄膜的制備非常困難，這是ZnO研究中面臨的主要挑戰(zhàn)：此外，一般方法制備的ZnO薄膜大多呈極性c面生長(zhǎng)，而極性ZnO由于強(qiáng)壓電場(chǎng)效應(yīng)往往導(dǎo)致發(fā)光效率較低，因此沿非極性和半極性面生長(zhǎng)的ZnO薄膜通過(guò)抑制或減弱壓電場(chǎng)，可望提高其發(fā)光效率。本文針對(duì)以上這兩點(diǎn)作了有益的探索性的研究：采用一種單源化學(xué)氣相沉積(SSCVD)技術(shù)，在n-Si(100)襯底上制備非極性面(100)擇優(yōu)取向ZnO薄膜，對(duì)其微結(jié)構(gòu)、生長(zhǎng)機(jī)理和光電性質(zhì)進(jìn)行了深入的研究

3、；制備基于非極性面擇優(yōu)取向的p型ZnO薄膜，首次從實(shí)驗(yàn)和理論的角度探討了p型ZnO薄膜的穩(wěn)定性與其織構(gòu)取向的關(guān)系。論文的主要內(nèi)容和創(chuàng)新性結(jié)果如下： 1．制備出一種適合SSCVD技術(shù)沉積ZnO薄膜的新型單一固相源，采用傅立葉變換紅外光譜和熱重分析等手段對(duì)其結(jié)構(gòu)和性質(zhì)進(jìn)行了研究。確定其化學(xué)式(Zn4(OH)2(O2CCH3)6·2H2O)及熱分解溫度(210℃)。選擇適當(dāng)?shù)臈l件熱分解固相源沉積薄膜，薄膜的紅外透射譜及光電子能譜測(cè)試表

4、明該固相源適合SSCVD技術(shù)制備ZnO薄膜。 2．基于SSCVD技術(shù)制備非極性面(100)擇優(yōu)取向ZnO薄膜，研究各工藝參數(shù)(源溫、襯底溫度、熱退火溫度以及沉積壓強(qiáng))對(duì)其微結(jié)構(gòu)的影響。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)源溫、襯底溫度、熱退火溫度影響薄膜的非極性面擇優(yōu)取向度和結(jié)晶質(zhì)量，結(jié)果表明源溫為220℃、襯底溫度為400～450℃、退火溫度為600～700℃時(shí)，薄膜結(jié)晶質(zhì)量較好；沉積壓強(qiáng)則影響薄膜成分的化學(xué)配比，在一定壓強(qiáng)下(20～60Pa)獲得了富氧

5、的薄膜。通過(guò)對(duì)各工藝參數(shù)的控制，制備隨機(jī)取向和極性c面取向的ZnO薄膜，對(duì)照c面取向出現(xiàn)的條件，探討了所制備的非極性面擇優(yōu)取向ZnO薄膜的生長(zhǎng)機(jī)理，首次從實(shí)驗(yàn)的角度證明了這種非極性面擇優(yōu)取向薄膜的生長(zhǎng)基于單固相源在一定條件下分解的多聚ZnO單體沉積，當(dāng)這種多聚ZnO沉積單體被破壞時(shí)，可獲得隨機(jī)取向和極性c面取向的ZnO薄膜。 3．研究了不同激發(fā)條件、不同退火溫度、不同環(huán)境溫度及壓強(qiáng)對(duì)非極性面擇優(yōu)取向系列ZnO薄膜的光致發(fā)光影響。

6、實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)選擇適當(dāng)?shù)臒晒饧ぐl(fā)波長(zhǎng)時(shí)，有利于從薄膜的PL譜中獲得其結(jié)構(gòu)質(zhì)量等信息；其它條件一定，當(dāng)熱退火溫度為700℃時(shí)，有利于薄膜的紫外發(fā)射峰的增強(qiáng)同時(shí)抑制其缺陷峰，表面薄膜結(jié)晶質(zhì)量較好；通過(guò)He-Cd激光激發(fā)的PL譜探討了不同環(huán)境溫度和壓強(qiáng)對(duì)富氧具有Vzn(鋅空位)的ZnO薄膜紫外光致發(fā)光的影響，發(fā)現(xiàn)薄膜的紫外發(fā)光強(qiáng)度隨溫度的升高而降低，而發(fā)光峰位則隨之紅移；環(huán)境真空度的降低有利于薄膜紫外發(fā)光的增強(qiáng)；通過(guò)與極性c面取向、非極性面擇優(yōu)取向

7、的富鋅的ZnO薄膜的光致發(fā)光強(qiáng)度的比較，發(fā)現(xiàn)非極性面擇優(yōu)取向的富氧ZnO:Vzn薄膜有強(qiáng)紫外光發(fā)射現(xiàn)象；薄膜的透射譜表明其良好的結(jié)晶質(zhì)量；飛秒激光激發(fā)的PL表明這種ZnO:Vzn薄膜同時(shí)還具有非線性光學(xué)即雙光子吸收現(xiàn)象。 4．研究了沉積壓強(qiáng)和襯底溫度對(duì)ZnO薄膜的電學(xué)性質(zhì)的影響規(guī)律?；魻枩y(cè)試結(jié)果表明在20～60Pa的壓強(qiáng)、襯底溫度為400～500℃的條件下，在不摻雜下獲得了p型ZnO薄膜。研究發(fā)現(xiàn)ZnO薄膜中化學(xué)成分配比偏離，即

8、具有Vzn的ZnO薄膜，化學(xué)計(jì)量比值的大小對(duì)其電學(xué)性質(zhì)影響較大；并從點(diǎn)缺陷的平衡理論的角度對(duì)本征ZnO的p、n型導(dǎo)電特性機(jī)理進(jìn)行分析。在獲得穩(wěn)定p型ZnO薄膜的基礎(chǔ)上，制備了p-ZnO:Vzn/n-ZnO:Al同質(zhì)p-n結(jié)，該結(jié)的I-V特性曲線表明其具有明顯的電流整流特性。 5．基于第一性原理計(jì)算，從理論的角度探討了非極性面(100)ZnO:Vzn的電子結(jié)構(gòu)及光學(xué)性質(zhì)。通過(guò)與ZnO晶體的電子結(jié)構(gòu)及光學(xué)性質(zhì)對(duì)比研究，發(fā)現(xiàn)(100)

9、ZnO:Vzn具有p型導(dǎo)電特性及強(qiáng)紫外光吸收及發(fā)射等特性，這與實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的非極性面(100)擇優(yōu)取向ZnO:Vzn薄膜具有p型導(dǎo)電特性和強(qiáng)紫外光發(fā)射等現(xiàn)象相符合。 6．研究了基于非極性面擇優(yōu)取向的摻N的p型ZnO薄膜的穩(wěn)定性與其織構(gòu)取向的關(guān)系。采用后處理和原位雙源方法進(jìn)行N摻雜，制備非極性面取向和極性c面取向的p型ZnO薄膜，發(fā)現(xiàn)了非極性擇優(yōu)取向ZnO薄膜具有更好的p型穩(wěn)定性。首次從薄膜的內(nèi)建電場(chǎng)和電子結(jié)構(gòu)的理論計(jì)算等角度對(duì)兩種織