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文檔簡介
1、ZnO是一種Ⅱ-Ⅳ族直接帶隙的寬禁帶半導(dǎo)體材料,在室溫下其禁帶寬度為3.36eV,激予束縛能為60meV,具有很好的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性。1996年香港和日本科學(xué)家在第23屆半導(dǎo)體激光器國際會議上首次報(bào)道ZnO微結(jié)構(gòu)的紫外受激發(fā)射。隨后,在1997年5月9日出版的Science雜志“Will UV Lasers Beat the Blues”為題,高度評價(jià)了氧化鋅在紫外激光器的應(yīng)用前景,從而在國際范圍內(nèi)掀起了研究氧化鋅的熱潮。另外,作為
2、第二代半導(dǎo)體材料,ZnO在高效率光散發(fā)設(shè)備和其他光學(xué)方面也有很好的應(yīng)用前景,但是材料中的點(diǎn)缺陷是影響其光學(xué)和電學(xué)性質(zhì)的重要因素,因此準(zhǔn)確鑒別和量化材料中的點(diǎn)缺陷就顯得尤為重要。 正電子湮沒譜學(xué)(Positron Annihilation Spectroscopy),是一門把核物理和核技術(shù)應(yīng)用于固體物理和材料科學(xué)研究的新技術(shù),還可應(yīng)用與化學(xué)和生物等學(xué)科。因其無損、靈敏度高等特點(diǎn),而在材料微缺陷研究中得到了廣泛的應(yīng)用和越來越多的重視
3、。 本論文主要圍繞Si基ZnO異質(zhì)外延薄膜的性質(zhì)展開研究,利用正電子湮沒技術(shù),同時(shí)結(jié)合X射線衍射分析,拉曼散射譜以及光致發(fā)光譜等測試手段相輔相成,瓦為補(bǔ)充,其結(jié)果對于ZnO材料的生長和應(yīng)用都具有綴好的指導(dǎo)作用。主要的研究工作和結(jié)果如下: 1.同質(zhì)緩沖層生長ZnO/Si薄膜的研究 利用X射線衍射(XRD),正電子湮沒譜學(xué)(PAs)和光致發(fā)光譜(PL)等方法研究了不同厚度同質(zhì)緩沖層生長的ZnO/Si薄膜。通過改變直流
4、濺射時(shí)間,在Si襯底上濺射一層不同厚度的ZnO緩沖層,再利用LP-MOCVD生長離質(zhì)量的ZnO薄膜。通過研究發(fā)現(xiàn),沒有緩沖層的ZnO薄膜是取向性較差的多晶薄膜,而隨著緩沖層的引入,薄膜的取向性明顯變好。慢正電子觀測到溥膜內(nèi)正電子的捕獲缺陷主要是Zn空位(V<,Zn>),并且在靠近薄膜和緩沖層的界面空位濃度變大。然而隨著緩沖層的厚度的增加,薄膜的結(jié)晶質(zhì)量開始下降,缺陷濃度開始增加以及發(fā)光性質(zhì)開始變差??梢娋彌_層的引入對薄膜質(zhì)量有顯著影響。
5、 另外,還比較了Si(100)襯底和Si(111)襯底生長的同質(zhì)緩沖層薄膜,發(fā)現(xiàn)以Si(100)做襯底,正電子在薄膜內(nèi)觀察到的缺陷也是Zn空位(V<,Zn>),隨著緩沖層厚度的增加,缺陷濃度以及光致發(fā)光的變化趨勢同Si(111)為襯底是完全一致的,但是以Si(100)為襯底的薄膜空位缺陷濃度更大,并且光致發(fā)光譜測量表明還產(chǎn)生了更多缺陷類型(No),這些都說明Si(100)上生長的薄膜質(zhì)量不如以Si(111)為襯底生長的薄膜。
6、 2.退火對N摻雜ZnO/Si薄膜的影響 利用X射線衍射(XRD)、正電子湮沒譜學(xué)(PAS)、拉曼散射光譜(RSS)和光致發(fā)光譜(PL)等方法研究了不同退火氣氛和退火溫度對N摻雜的ZnO/Si(111)薄膜的影響。利用等離子輔助生長Si基ZnO異質(zhì)外延薄膜,通過優(yōu)化工藝、選擇合適的射頻功率等,可以得到結(jié)晶質(zhì)量較好的薄膜。通過研究發(fā)現(xiàn),600℃-800℃退火的ZnO薄膜都具有較好的c軸取向,且隨著退火溫度的升高薄膜的晶格質(zhì)量
7、也隨之變好,紫外發(fā)光強(qiáng)度有了明顯提升。正電子在600℃和700℃退火的薄膜內(nèi)觀察到的空位缺陷都是V<,Zn>,且隨著退火溫度升高空位濃度略有下降,但是800℃退火后的薄膜內(nèi)出現(xiàn)了較大的空位團(tuán)簇,可能是摻雜N原子與空位缺陷發(fā)生反應(yīng),形成了新的穩(wěn)定的復(fù)合缺陷,且氮?dú)庵型嘶鸬谋∧ひ驗(yàn)椴糠諲原子被激活而取代了O的格位形成No而被局域,導(dǎo)致參與形成復(fù)合缺陷的N原了減少,新的復(fù)合缺陷濃度相比較空氣氣氛下退火的薄膜有所減小。另外,空氣中退火能抑制O原
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