MOCVD方法生長(zhǎng)單晶ZnO、p型摻雜及同質(zhì)ZnO-LED室溫電致發(fā)光研究.pdf

1、氧化鋅(ZnO)是一種直接寬帶隙化合物半導(dǎo)體材料，其室溫禁帶寬度為3.37eV，激子束縛能為60meV，高于室溫?zé)崮?6meV，也遠(yuǎn)高于其它半導(dǎo)體材料，如已經(jīng)在藍(lán)紫光波段發(fā)光器件方面得到廣泛應(yīng)用的GaN材料的激子束縛能只有25meV；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)的受激輻射的閾值要比電子-空穴等離子體復(fù)合的受激輻射閾值低得多，故ZnO是制備室溫和更高溫度下的半導(dǎo)體激光器(LDs)的理想材料，而

2、GaN基的半導(dǎo)體激光器必須借助于其多量子阱或超晶格結(jié)構(gòu)。在半導(dǎo)體發(fā)光器件應(yīng)用方面，ZnO還有其它優(yōu)勢(shì)，如具有體單晶ZnO襯底材料、晶體常數(shù)與純ZnO本身非常接近的MgZnO和ZnCdO三元合金，這些都是將來實(shí)現(xiàn)ZnO基發(fā)光器件的有利條件。ZnO還有豐富多樣的納米結(jié)構(gòu)，如納米線、納米管、納米帶、納米環(huán)等，它們會(huì)具有量子限制效應(yīng)，如電子量子傳輸和輻射復(fù)合增強(qiáng)效應(yīng)；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(yīng)用價(jià)值，另外，

3、ZnO的納米結(jié)構(gòu)還可以在場(chǎng)發(fā)射、醫(yī)療、生物傳感等領(lǐng)域得到應(yīng)用。 可是性能良好的p型ZnO材料的制備問題成為了近年來實(shí)現(xiàn)ZnO基發(fā)光器件突破的瓶頸，這也就成為了ZnO研究工作者的研究焦點(diǎn)和重點(diǎn)，成功制備ZnO同質(zhì)發(fā)光二極管(LED)是回答這個(gè)問題最直接的方法。由于ZnO納米材料具有豐富的結(jié)構(gòu)形態(tài)、應(yīng)用前景和科學(xué)研究?jī)r(jià)值，人們廣泛開展了對(duì)ZnO納米結(jié)構(gòu)的研究，其中探索制備新的ZnO納米結(jié)構(gòu)、實(shí)現(xiàn)ZnO結(jié)構(gòu)的重復(fù)與可控制備及其應(yīng)用開發(fā)

4、是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。 本文發(fā)明了一臺(tái)MOCVD設(shè)備和兩種能夠?qū)崿F(xiàn)ZnOp型摻雜的MOCVD生長(zhǎng)方法，并在獲得性能優(yōu)良的p型ZnO的基礎(chǔ)上，研制了ZnO基LED原型器件，繼日本之后，國(guó)際上第二個(gè)實(shí)現(xiàn)了ZnOpn結(jié)室溫電注入發(fā)光；本文還使用MOCVD方法生長(zhǎng)了ZnO外延薄膜，研制出首個(gè)ZnO單晶納米管，可控生長(zhǎng)出ZnO納米線，以及得到了新形態(tài)的ZnO納米網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)材料?，F(xiàn)簡(jiǎn)要介紹如下： (1)設(shè)計(jì)并研制了一臺(tái)生長(zhǎng)ZnO專用的MO

5、CVD設(shè)備，并獲得了此設(shè)備的發(fā)明專利；使用該設(shè)備實(shí)現(xiàn)了ZnO的p型摻雜和外延薄膜與納米結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)。 (2)首先利用MOCVD技術(shù)在硅襯底上可控生長(zhǎng)了排列整齊的ZnO納米線陣列，并研究了ZnO納米線發(fā)光特性和場(chǎng)發(fā)射性能，說明了直徑～10nm的ZnO納米線具有很好的自由激子復(fù)合發(fā)光特性，以及擁有特殊尖端形貌的ZnO納米線具有非常好的場(chǎng)發(fā)射性能。 (3)首先利用無催化MOCVD技術(shù)在硅襯底上制備了準(zhǔn)定向排列的ZnO納米管，該納

6、米管具有中間空心的單晶結(jié)構(gòu)和納米尺度特征。ZnO納米管的PL圖譜中顯示了一個(gè)很強(qiáng)的帶邊發(fā)光峰和一個(gè)比較微弱的綠光波段發(fā)光峰。文中探討了MOCVD制備ZnO納米管的生長(zhǎng)機(jī)理。 (4)首先采用兩步法MOCVD技術(shù)在硅襯底上成功制備了ZnO納米網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)材料。ZnO納米網(wǎng)絡(luò)是由ZnO納米墻和納米線交織在一起共同組成。本文還研究了納米網(wǎng)絡(luò)的生長(zhǎng)機(jī)理。 (5)利用低壓MOCVD方法探索性生長(zhǎng)了ZnO外延薄膜。初步掌握了低溫、低壓MO

7、CVD生長(zhǎng)ZnO薄膜的生長(zhǎng)工藝，獲得了較理想的生長(zhǎng)溫度、壓強(qiáng)、反應(yīng)物流量等生長(zhǎng)工藝參數(shù)條件，分別研究了在Si片和藍(lán)寶石片(a面和c面)襯底上生長(zhǎng)ZnO外延薄膜，并采用低溫生長(zhǎng)高溫退火ZnO緩沖層在a面藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)了性能良好的ZnO單晶外延薄膜。 (6)首次利用NO和N2O混合氣體摻雜MOCVD技術(shù)制備了p型ZnO薄膜，研究揭示了其制備機(jī)理是：在生長(zhǎng)ZnO薄膜過程中，NO中的N原子被摻入到ZnO晶格中替代O形成受主缺陷No，適

8、量的N2O氧源氣體參與生長(zhǎng)抑制了施主缺陷的產(chǎn)生，提高了NO的摻N效果，增加了空穴濃度和遷移率，從而獲得了性能良好的p型ZnO薄膜。 (7)首次由NO射頻等離子體輔助氮摻雜MOCVD方法生長(zhǎng)了p型ZnO薄膜，優(yōu)化了主要生長(zhǎng)工藝參數(shù)，分析了它們對(duì)p型ZnO薄膜性能影響的機(jī)制，并最終獲得了電學(xué)性能優(yōu)良的p型ZnO薄膜。利用光致發(fā)光測(cè)試手段研究了氮摻雜p型ZnO薄膜的發(fā)光性能，分析了氮摻雜p型ZnO薄膜中的受主缺陷及其電離能。該方法生長(zhǎng)

9、的氮摻雜p型ZnO薄膜在電學(xué)、光學(xué)和結(jié)晶等各個(gè)方面都具有優(yōu)良的性能，為實(shí)現(xiàn)ZnO同質(zhì)p-n結(jié)的制備打下了良好的基礎(chǔ)。 (8)首次由NO等離子體輔助氮摻雜MOCVD方法在n型ZnO體單晶片上外延生長(zhǎng)p型ZnO薄膜，成功制備了ZnO同質(zhì)LED，并實(shí)現(xiàn)了室溫電注入發(fā)光。我們研制的ZnO同質(zhì)LED的帶邊激子電注入發(fā)光較強(qiáng)，明顯優(yōu)于日本東北大學(xué)Tsukazaki教授采用MBE技術(shù)制備出的ZnO同質(zhì)LED的帶邊發(fā)光。該ZnO同質(zhì)LED具有較